DE2725271A1

DE2725271A1 - Tintenstrahldrucker

Info

Publication number: DE2725271A1
Application number: DE19772725271
Authority: DE
Inventors: John L Dexter; Edmond L Kyser; Charles S Mitchell; Stephan B Sears
Original assignee: SILONICS Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 1976-06-07
Filing date: 1977-06-03
Publication date: 1977-12-15
Also published as: ES459530A1; NL188182C; JPS6216821B2; AU2565077A; JPS52150637A; SE433474B; ES459529A1; CA1098158A; SE420469B; JPS6058863A; IT1116657B; AU505490B2; JPH0323347B2; NL188182B; FR2354201B1; SE7706574L; DE2725271C2; FR2354201A1; GB1578962A; SE7706575L

Description

C 272527

Zusannenfaanung

Eine austauschbare r.opfanordnung für .. inori Winter..: kv ..r.i drucker mit asynchronen Tr^, Tc !.cnauas t:U durch Vo.; u:^'.vo rdrängung, bei der der Schrei..:.ο;.:" am :'cl.re.U::o: :'■.;■ ;>:-γ. :".·.> \:. ;e bracht ist, dao er ohne \.'jiter.;r> ab ^. j r.i.::.:.. ti·:: Ui.J .ivi.-^r: ■: Ln;;a anderen Kopf ersetzt verlari kann; die ociu-ai":.;.j./fanbrir ^r._;-erlaubt dabei aas i'inc teller, den Abstaruies zv/i^o^en der ..'ci'.re kopfdüse und dem Auf zsichnur.r-srr.atsrial. Der 1'in i^n^ur'u!^-.:,-schluß an den Schreibkopf und den Tir.tenvovratunehalter schließt eine Einrichtung zxxxi automatiscl.ert Absohlie j-jr. ;1. r· Tintensufuhrlei tur.g ein, um sowohl den Verlust an Iint<; als auch das Eindringen von Luft in den Eehälter, die Zu.i\;:;r :',r.l den Schreibkonf zu verhindern, wenn entv^eder der 'lehr : I.· ^:cc f oder der Behälter von der Anlage entfernt \:i vd. Der i:o'.:--'itkopf umfaßt einen Tintenvorratsdruclcfähler zur ',.'ahrnei-::.ur: ; /cn Druckänderunsen in der Ar.ordn^r.c und ein durch den Fühler L:- tätigtes Ventil zur Zufuhr von Tinte in die Anlage bei Abfall des Drucks unter eine vorherbestimmte Höhe.

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Tintenstrahldrucker, der asynchron mit Vclunenverdrän^ung und Tröpfchen arbeitet, und bezieht sich insbesondere auf eine austauschbare Schreibkopfeinordnung für einen solchen Tintenstrahldrucker.

Bei Tintenstrahldruckern mit Volmr.enverdrän^un^ ergeben sich abgesehen von den Ei*fordernisoen konstant fließender Tintenströme zusätzliche besondere trfordernisüe hinsichtlich der Tintenzufuhr. Da die Kapiilarv/irkunr: der einzige I7achfülimechanismus zum V/iederauffüllen aasgestoßener Tinte ist, muf3 der Tintenzufuhrdruck innerhalb des Bereichs des Kapillardrucks liegen, der von den Schreibkopfdüsen erzeugt v/erden kann. Der bevorzugte Zufuhrdruck ist geringfügig negativ und

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entspricht ::.B. 1 bis 2 cm Wassersäule. Diese Art von Tintenzufuhranordnung ist in den UG Patentschriften 3 708 798, 3 747 120, 3 832 579 und 3 852 773 erörtert.

Ein weiteres entscheidendes Kerkinal für derartige Tintenstrahldrucker ergilt sich aus der oben erwiiimten lictr.vendigkeit für niedrigen Druck. Ώα der TintenvorratsLehälxer üblicherweise unmittelbar an den Hchreibkopf ange.'.-cLlcc^en ist, MU einen niedrigen hydrostatischen ,",uf uhrdruck zu .:cnaffen, ist die Anlage ,^egen Druckanstieg er.pfindlich, der durch die Bewegung des Gehreibkopfes oder der Zufuhr]eitung aufgrund von Trägheitskräi ten erzeugt wird. Auiiericn; coil die übliche Anordnung eines Tintenstrahldruckers rrix Volurr.i r.verdrängung eine Vielzahl von Tropfchenausstoßvorrichtungen kaben, dia an die gleiche Tintenzufuhr angeschlossen sind. Damit ergibt sich die !!o-cwer.digkeit, die einzelnen Aucstof^vcrrichtungen. voneinander ζτι isolieren, εο daß sie unabhängig voneinander betätigt v/erden können. Das geschieht bei einigen bekannten Vorrichtungen durch Verwendung einer Impulse abfangenden Durchs chi euskamir.er, die teilweise mit Luft gefüllt ist, un einen möglichen Druckanstieg in der Zufuhrleitung zu absorbieren und die einzelnen Ausstoßvorrichtungen im Schreibkopf zu isolieren, siehe z.B. US Patent 3 708 798. Eine bekannte Vorrichtung verwendet ein passiv aktiviertes Ventil, um die Druckanstiegswirkung dadurch auf ein Minimum einzuschränken, daß der Druckanstieg selbst die Letätigungskraft für das Ventil liefert, siehe z.B. US Patent 3 852 773. Bei einer weiteren bekannten Vorrichtung ist ein Druckabsorptionsinechanismus für eine einzige Tintenstrahlausstoßvorrich- tung verwendet, so daß selbsterzeugte Resonanzen auf ein Minimum eingeschränkt und der IJutzbereich der Vorrichtung auf höhere Tropfchenausstoßgeechwindigkeiten ausgedehnt ist, siehe z.B. US Patent 3 832 579.

Im wesentlichen alle Tintenstrahldrucksysteme arbeiten am besten, wenn keine Luft oder Gas in der Tintenzufuhranordnung oder im Schreibkopf vorhanden ist. Dies Erfordernis ist

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9 7 9 C\ 2 7 I besonders streng bei mit Volumenverdrancung arbeiteriden Druckern, da Luftblasen der Inkompressibilität des Fluids entgegenwirken und verhindern, daß der Volunenverdrängungsmechanismus ordnungsgemäß arbeitet. In manchen Anordnungen sind Kammern vorgesehen, um Luftblasen anzusammeln, ehe sie den Schreibkopf erreichen, siehe z.B. US Patent 3 708 793 und 3 805 276. Bei einer Anordnung werden Luft und Gas aus der Tintenzufuhr entfernt, ehe diese verwendet wird, siehe z.B. US Patent 3 346 869.

Ein weiteres Problem bei vielen Tintenstrahldrucksystemen besteht darin, daß sie einzig und allein für einen Cchreibkopf eingestellt sind. Das macht einen raschen Austausch schadhafter Schreibköpfe schwer und teuer. Die Anordnung muß nicht nur für den neuen Tintenstrahl-Schreibkopf erneut eingestellt werden, sondern angesammelte Luft, die während des Austauschvorganges in die Anordnung eindringen kann, mu3 aus der Tintenzufuhrleitung herausgespült werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Die oben genannten Probleme, den richtigen Druck in der Tintenzufuhr einzuhalten, diese gegenüber den einzelnen Schreibkopfdüsen isoliert zu halten, Gasbläschen auszuschalten und für die Austauschbarkeit der Schreibköpfe zu sorgen werden gemäß der Erfindung durch einen verbesserten Tintenstrahldrucker ausgeschaltet, der einen Tintenvorrat und einen asynchron mit Volumenverdrängung und Tröpfchenausstoß arbeitenden Schreibkopf in Fluidverbindung mit dem Tintenvorrat umfaßt, welcher an einem Wagen angebracht ist, der eine relative Bewegung zwischen dem Schreibkopf und dem Aufzeichnungsmaterial bewirkt. Die Verbesserung gemäß der Erfindung weist eine erste Einrichtung zum lösbaren Anbringen des Schreibkopfes am Wagen mit einer Einrichtung zur Abstandsverstellung zwischen dem Schreibkopf und dem Aufzeichnungsmaterial und eine zweite, mit der ersten Einrichtung integrale Einrichtung zum lösbaren Verbinden des Sohreibkopfes mit dem Tintenvorrat auf. Die zweite

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Einrichtung umfaßt eine Einrichtung zum Blockieren der Luftzufuhr und des Verlustes an Tinte aus dem Schreibkopf bei .-X-nahme des Schreibkopfes vom Vagen. Mittels einer mit der ersten und zweiten Einrichtung integralen dritten Einrichtung
ist eine lösbare elektrische Verbindung mit dein Schreickopf
geschaffen. Jeder Schreibkopf hat eir.e voreingostellts, ein
elektrisches Signal bedingende Einrichtung aufgrund der jeder Druckkopf innerhalb vorherbe ε tinmter Systeriparameter arbeiterkann, wenn ihm von dieser dritten Einrichtung vorherbestimmte elektrische Signale zugeführt werden.

Beim bevorzugten Ausführur-gsbeispiel ist der Abstand zv;ischen dem Schreibkopf und dein papier dadurch einstellbar, da.'j der Schreibkopf um die hohle Nadel gedreht wird und daß eine
Stellschraube zum Pestlegen der Brehstellung des Schreibkopf.es un die hohle Nadel vorgesehen ist. Die dritte Einrichtung zum elektrischen Anschluß des Schreibkopfes unfaßt einen Randstecker, der mit dem Schreibkopf einstückig gebildet ist und eine Vielzahl von in Dickfilmtechnik auf den Schreibkopfaufbau isoliert aufgebrachten elektrischen Leiterspuren hat. Eine an der ersten Einrichtung angebrachte Fassung für den Randstecker stellt elektrische Verbindungen mit den elektrischen
Spuren am Handstecker des Schreibkopfea her. Es sind Einrichtungen vorgesehen, um die I-'ascung für den Randstecker r::it der voreingestellten Einrichtung zum Hervorrufen elektrischer Signale zu verbinden, die typischerweise eine Vielzahl von
Widerständen von vorherbestimmten VJiderstandswerten umfassen, die für den jeweiligen Schreibkopf ausgewählt sind.

Der Schreibkopf gemi^ß dem bevorzugten Aus führung:: be is piel hat Treiberkristalle, die den Ausstoß von Tintentropfchc-n verursachen. Der L'chreibkopf ist in einem schalenartigen ^T errilter umschlossen, der den Schreibkopf vor Beschädigung schützt.
Die Treiberkristalle sind mit einer dünnen Schicht Isoliermaterial überzogen, und eine verhältnismäßig dicke Schicht
eines Schalldämpfungsmaterials ist auf die dünne Schicht Isoliermaterial aufgebracht. Die schalenartige Gehäusestruktur

ist in zwei Hälften unterteilt, die an entgegengesetzten Sei-

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ten des Schreiblcopfes so zusammengepreßt sind, daj cie ■_.·.·. Schreibkopf gemeinsam mit dem Schal ldämpfungsniateriai k.:.;.:-eiförmig umschließen. Das Schalldänpfungsinaterial steht ir. inniger körperlicher Berührung mit den Treiberl-cristallen, aei:, Schreibkopf und der Schal ens ti-ukxur, hindert aber nicht den Betrieb der Treiberkristalle.

Beim bevorzugten Ausführur^-sbeispiel ±3Z zum ;;u::.o:::tn der Tintenströnung zum Schreibkopf ein Druckfühler und ein Ventil integral in Schreibkopf aufgenommen. 13er Druckfühlor stellt Veränderungen im Fluiddruck in. der Impulse £o~S?.:~.: ■.:.-

den Durchschleuskammer feat und betritirt das Ventil, ;:a.■:.!·„ Tinte in die Impulse abfangende :Uirchochieuskar.nc r :'lie°en kann, wenn der Druck unter eine vorherbestimmte Höhe absinkt, die geringer ist als der maximale Kapillardm.ck, der an den Schreibkopfdüsen erzeugt werden kam. TJies Ventil erlaui.t es, einen im wesentlichen konetasten Fluiddruck in der I:..;ulse abfangenden Durchschleuskammer des EchreiLkopfes lcL.::An halten, welche den einzelnen TropfchenauastoiBkanmern ie: Schreibkopfes Tinte zuführt. Die Tintenquelle Gelbst ^t^nt unter höherem Druck und umfaßt einen zusamir.unlegbaren, eins tischen Ballon, der seinen eigenen Druck durch elastische './irkung liefert, ohne äußere Pumpen oder Federn zu benöti.:;---·.'!. Jedes Bauelement der Tintenzufuhranordnung, d.h. die Hccharuel:- quelle, die Verbindun^sleitungen und der Gehreibkopf ist r..odulförmig gestaltet und läßt sich ohne weiteres von den anderen Bauelementen trennen. Die Verbindungsvorrichtungen sind so gestaltet, daß weder beim Anschluß noch beim Abtrennen von Bauteilen der Anlage Luft in die Anordnung eindringen ur.d daß keine Tinte nach außen entweichen kann.

Der Druckfühler und die Ventilsteueranordnung sorgen für einen automatischen Ausgleich für Druckschv/ankungen der Hcchdruckquelle, wenn die elastische Kraft bei Entfernung ceträchtlicher Tintemnengen geringer wird. \'!er.n die Hoci:ciruckquelle leer wird, erzeugt die Steueranordnung ein Signal, welches den Drucker stillsetzt, wodurch verhindert wird, da3

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Luft in die Düsen eindringt, v/eil die Tintenzufuhr -onzureichend ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Tintenstrahldruckar.-ordnung zu schaffen, bei der Schreibkopf und Tintenvorrat ohne weiteres austauschbar sind.

Aufgabe der Erfindung ist es auch, eine Tintenctrahldruckanordnung zu schaffen, die einen Tintenzufuhranschluß an einen ohne weiteres austauschbaren Schreibkopf hat, welcher sowohl den Verlust an Tinte als auch das Eindringen von Luft in den Schreickopf oder die Tintenzufuhranordnung beim Austausch des Schreibkopfes verhindert.

Aufgabe der Erfindung ist es auch, eine Tintenstrahldruckancrdnung zu schaffen, bei der die Schreibköpfe austauschbar sind und jeder seine" eigene, ihm zugeordnete elektronische Schaltung hat, die für diesen Schreibkopf einmalig ist und gleichzeitig mit dem Schreibkopf abgenommen werden kann, damit dieser an Systemparamater angepaßt werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es ferner, einen Tintenstrahldrucker zu schaffen, bei dem ein im wesentlichen konstanter Fluiddruck in der Impulse abfangenden Lurchschleuskamner des Schreibkopfes aufrechterhalten wird.

Schließlich ist es noch eine Aufgabe der Erfindung, eine Tintenstrahldruckeranordnung zu schaffen, bei der der Schreibkopf bei unzureichender Tintenzufuhr stillgesetzt wird, so daß keine Luft in die Schreibkopfdüsen eindringen kann, weil die Tintenzufuhr unzureichend ist.

Die obigen und weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich ohne weiteres aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung gewißer bevorzugter Ausfüh- rungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen.

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Kurzbesehreibunp; der Zeichnunren

Fig. 1A ist eine teilweise in Schnitt gezeigte senkrechte Ansicht der angebrachten Tintenvorratsanordnung gemäß eine^ Ausi'ührur-gsteispiel der Erfindung;

Pig. 1B ist eine teilweise in Cclmitt gezeigte senkrechte Ansicht der Tintenvorrat3anordnung gemäß P'i^. 1A beim Ausbau;

Pig. 2 ist eine Seitenansicht des Schreibkopfes genäß
einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 3 ist ein Schnitt insgesamt längs der Linie 3-3 in Fig. 2 und zeigt im einzelnen das Ventil und den Tinteneinlaß;

Pig. 4 ist ein Schnitt insgesamt längs der Linie 4-4 in Fig. 2 und zeigt Einzelheiten des Druckfühlerträgers;

Fig. 5 ist ein Schaltschema für die Steuerung de3 Ventilbetriebs und zum Erzeugen des "Tintenmangel"-Steuersignals;

Fig. 6 ist ein Diagramm, welches sowohl das Druck- als
auch das Ventilimpulslängenverhältnis für die
Tintenzufuhr zeigt;

Fig. 7 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht des an einer Waagenanordnung angebrachten Schreibkopfes gemäß der Erfindung;

Fig. 8 ist eine zweite vergrößerte perspektivische Ansicht des in Fig. 7 gezeigten Schreibkopfes;

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Fig. 9 zeigt in auseinanlergezogener perspeki

Darstellung den Schreibkopf und die Halterung gemäß Fig. 7 und 8.

Detaillierte Beschreibung gewißer bevorzugter Ausf ührungo- beispiele

Insbesondere die Fig. 1A und 1B zeigen die Tintenvorratsanordnvjig für die Schreibkopfanordimng gemäß der Erfindung. Die Tintenvorratsanordnung weist einen Aufnahmebehälter 10 c.r.d eine wegzuwerfende, einen Tintenvorrat enthaltende jatrone auf. Da die Patrone häufig, vielleicht 300 mal während der Lebensdauer der Druckanordnung ausgetauscht wird, muß der Aufnahmebehälter 10 so konstruiert sein, daß er das Auslecker, von Tinte und das Einiringen von Luftblasen verhindert und gleichzeitig für das Filtern der Tinte sorgt. Zum Grundaufbau des Aufnahmebehälters 10 gehört ein äußerer zylindrischer Sockel

12 mit offenem Ende zur Aufnahme der Patrone 12. Der Sockel hat einen Hals 15 in dessen geschlossenem Ende ein zylindrischer Stopfen 16 sitzt, in dessen Mitte das stumpfe Knie einer Kanüle 18 in Form einer Injektionsnadel angebracht ist, die parallel zur Längsachse des Aufnahmebehälters 10 angeordnet ist und sich in den Sockel 14 erstreckt. Die hohle Kanüle

13 mündet am stumpfen Ende in einen Hohlraum 20 unterhalb des Stopfens 16, der durch einen Filter 22 in z\/ei Hälften unterteilt ist. Ein Teil des Hohlraumes 20 jenseits des Filters gegenüber der Kanüle 18 steht in Fluidverbindung mit einem Auslaßrohr 24.

Der den Stopfen 16 umgebende Hals des Sockels 14 ist hohl, und in diesen ist oberhalb des Stopfens 16 ein zylindrischer Stopfen 26 gleitend eingepaßt. Durch den Raum zwischen dem festen Stopfen 16 und dem verschiebbaren Stopfen erstreckt sich eine Druckfeder 28, die den Stopfen 26 in ?ig. 1A gesehen nach oben drückt. Die Druckfeder 28 ist um eine kreisförmige Schulter 30 an der Oberseite des Stopfens 16 zentriert. Die Kanüle 18 ist in einem Vorsprung 32, der vom

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Stopfen 16 nach oben ragt, fest angebracht. Innerhalb des coweglichen Stopfens 26 ist eine Dichtung 34 koaxial angebracht, und die Kanüle 18 ist so ausgerichtet, daß sie die Lichtung durchstößt.

Der Stopfen 26 hat eine obere, ringförmige Vertief i;_ig 3·->, die mit einer entsprechenden vorspringenden Schulter vj in Innern des Sockels 14 an derjenigen Stelle zusrar.;.ier.wirl:t, an der der Sockel 14 nach außen erweitert ist, um den Au23n<iurc-hir.e3-ser der Patrone 12 auf ζ ine Innen. Die ringförmige Vertief'.ing 36 und die Schulter 38 wirken als Anschlag, der verhindere, daß die Druckfeder 28 den beweglichen Stopfen 25 oben aus ic:.: Hals 15 des Sockels herausdrückt.

in Betrieb die Patrone abgenommen wird, wie .-ig. 1 Zt zeigt, wird der Stopfen 26 von der Druckfeder 28 nacn ober, gedrängt, so daß die Dichtung 34 das Ende der Kanüle 18 Überdeckt und es dadurch abschließt und den Austritt von χinte aus dem an die Auslaßleitung 24 angeschlossenen Schreibkopi sov/is das Eindringen von Luft in den Schreibkopf verhindert.

Die Patrone 12 hat einen unteren Halsbereich 40 nit ei;i:r vorspringenden ringförmigen, unterbrochenen Schulter 42. ;ie vorspringende Schulter 38 an Sockel H ist gleichfalls in ihren Umfang unterbrochen, so daß die patrone 12 in den Aufnahmebehälter mit dem Ilalsabschnitt 40 zuerst eingesetzt und dann gedreht wird, bis die Schulter 42 der Patrone mit der Schulter 38 des Sockels in Eingriff tritt, wodurch die Patrone in Sockel verriegelt ist.

Die beiden kritischen Aufgaben der Patrone 12 bestehen darin, Tinte völlig isoliert gegenüber der Atmosphäre zu speichern und Tinte unter ausreichend großem Druck durch die Tintenzufuhranordnung zu der Impulse abfangenden lurchschleuskammer im Schreibkopf zu fördern, so daß der Druck in der Kammer während des Druckvorganges auf dem benötigten V.'ert gehalten werden kann.

Wie am besten ^aus7§^g 5¹A/^lf^lF\"P§^eeht' ^{hat der in} -Singriff

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tretende Halsabschnitt 40 der Patrone auch eine Scheidewand 40, die im Durchlaß eines Kanals 46 angebracht ist, welcher ins Innere einer Blase 48 aus elastomerem Werkstoff führt. Wenn die Patrone 12 eingesetzt und im Sockel 14 verriegelt ist, drückt die Unterseite des Halsabschnitts 40 den Stopfen 26 entgegen der Kraft der Druckfeder 28 nach unten, wodurch die Dichtung 34 auf der Kanüle 18 nach unten gleitet. Gleichzeitig durchstößt das zugespitzte Ende der Kanüle 18 die Scheidewand 44 und 3tellt eine Fluidverbindung zwischen dem Hohlraum 20 und dem Inneren der Blase 48 her.

Wegen der beweglichen Dichtimg 34 und der Scheidewand 44 kann bei Abnahme der Patrone 12 vom Aufnahmebehälter 10 keine Tinte aus der Blase 48 herauclecken, während das gleichzeitige Abdecken der Kanüle 18 durch die Dichtung 34 verhindert, daß Luft über die Kanüle hinaus in die Anlage gelangt und Tinte aus der Kanüle herausleckt. Der Filter 22 trügt auch dazu bei, daß Luftblasen ebenso wie andere Schmutzteilchen in die Anordnung gelangen. Der Filter kann z.B. einen Durchmesser von 2 cm und eine Porengröße von 5 um haben.

Wenn die Blase leer ist, wird sie von einem im Innern der Blase 48 angeordneten vom unten befindlichen Halsabschnitt 40 nach oben ragenden Spannstab 50 unter Spannung gehalten. Zur leichteren Handhabung ist die Blase 48 in einer hohlen Schale 52 aufgenommen. Typischerweise besteht die Blase 48 aus Butylkautschuk, z.B. wegen der geringen Gas- und Dampfdurchlässigkeit dieses Werkstoffs. Die Scheidewand 44 kann z.B. aus Silikonkautschuk hergestellt sein, weil dieser Werkstoff ausgezeichnete Dichtungseigenschaften hat.

Zum Julien der Patrone 12 mit Tinte wird zunächst eine hohle Kanüle durch die Scheidewand eingesetzt und die gesamte restliche Luft aus dem Innern der Blase entfernt. Die anschließend in die Blase einzufüllende Tinte wird zunächst durch Vakuum- und Wärmeprozesse von Luft befreit und dann unter Druck in die zusammengefallene Blase eingepreßt. Wenn die Blase mit von Luft und Gas befreiter Tinte voll angefüllt

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ist, wird noch verbliebene Restluft durch die hohle Einfüllkanüle abgezogen, die dann entfernt wird. Dann kann die Patrone 12 als unter Eigendruck stehende, luftfreie, wegwerfbare Tintenquelle für den Drucker verwendet werden. Eine zweckmäßige Patrone für das hier beschriebene Ausführungsbeispiel

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könnte von 50 bis 100 cm Tinte unter einem Druck von ca. 0,5 Atmosphären enthalten und wäre ausreichend zum Druck von ca. 6 Millionen Zeichen.

In dem Kaße in dem Tinte aus der Patrone 12 entnommen wird, schwankt der Innendruck der Tinte, wie durch die Kurve 54 in Fig. 6 angezeigt. Es gibt einen Punkt auf der Druckkurve, der in Fig. 6 als Abschaltpunkt gezeigt ist. Jenseits dieses Punktes liefert der Behälter keine angemessene Tintenströmung mehr durch die Anordnung zum Schreibkopf. An diesem Punkt sollte also die patrone abgenommen und weggeworfen und eine neue Patrone eingesetzt werden. Eine geringe Kenge Tinte, vielleicht 10 fo des Gesamtvolumens kann nicht gewonnen v/erden, da der Druck unter einen vorherbestimmten, in das nachfolgend im Einzelnen beschriebene Steuersystem einprogrammierten Mindestwert abfällt. Die bei diesem Mindestdruckwert in der Blase vorhandene Tintenmenge ist gering, weil die Blase wegen des Spannstabs 50 anfangs unter Spannung steht.

Im Zusammenhang insbesondere mit den Fig. 2 bis 4 wird der Schreibkopf 56 der Anordnung im einzelnen beschrieben. Der Schreibkopf 56 hat eine Grundplatte 58 aus Keramik und darüber eine Deckplatte 60 aus Keramik. Die beiden Platten sind so miteinander vereinigt, daß sie eine Vielzahl von Tintenausstoßkammern 62 umschließen, die mit entsprechenden getrennten Düsen 66 und Hälsen 64 in Fluidverbindung stehen. Obwohl hier nur ein Satz aus Kammer, Hals und Düse gestrichelt gezeigt ist, liegt auf der Hand, daß dieser auch für die restlichen sechs typisch ist. Anders als die Grundplatte 58, in die Kammern eingeätzt sind, hat die Deckplatte 60 nur zwei öffnungen, und zwar eine große, die eine mit Impulsen arbeitende Durchschleuskammer 68 begrenzt, sowie eine Ventilöffnung 70. Jede der beiden Keramikplatten 58 und 60 kann vor-

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zugsweise aus einem mit dem Y/arenzeichen "Photoceram" de.-Corning Glass Corporation, Corning, Ilew York, bezeichneten Werkstoff hergestellt sein. Der Deckplatte 60 sind sieben piezoelektrische Kristalle 71 bis 77 überlagert und mit ihr verbunden. An der Unterseite der Grundplatte 58 ist als Paßstück ein Anschlußbehälter 78 für die Tintenzufuhr angebracht, der in die Ventilöffnung 70 paßx (Fig. 3). Eine in Fig. 8 gezeigte Leitung 80 verbindet die patrone 12 mit dem Anschlußbehälter 78. Das an den Anschlußb^hälter 73 angeschlossene Ende der Leitung 80 ist von einer Konstruktion, die im wesentlichen den Bauelementen 15, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34 und 36 geisLLß Pig. 1Λ und 1B für die Tintenzufuhr entspricht. Das bedeutet, daß eine Kanüle 18" eine im Anschlußbehälter 78 enthaltene Scheidewand 44' bein Anschluß der Leitung 40 durchdringt. Bei Abnahme der Leitung 40 wird die Kanüle durch die Scheidewand abgezogen, welche die Öffnung erneut verschließt. Das offene Ende der Kanüle 18· wird gleichzeitig durch eine verschiebbare Dichtung ähnlich der Dichtung 34 abgedeckt, um das Herauslecken von Tinte aus der Kanüle oder das Eindringen von Luft in die Kanüle bein Abtrennen zu verhindern. Über der Deckplatte 60 ist an den Öffnungen der Impulse abfangenden Durchschleuskammer und der Ventilöffnung 70 eine 'Membran 84 angeordnet. Die Membran 84 ist vorzugsweise aus einem flexiblen Werkstoff wie dem unter den Warenzeichen Sarrm der Dow Chemical Company, Midland, Michigan vertriebenen Kunststoff hergestellt. Die Membran 84 bildet die obere V/and der Impulse abfangenden Durchschleuskammer 68. Über der Membran 84 ist ein vorzugsweise aus Stahl hergestellter Rahmen 86 für die Druckregulierung angeordnet. Der Rahmen 86 hat zweckniäßigerweise einen Umriß, der im allgemeinen dem der Membran 84 entspricht, da beide die Kammer 68 ebenso wie die Ventilöffnung 70 überdecken. Aus dem Rahmen 86 ist eine Öffnung entsprechend der Ventilöffnung 70 in der Grundplatte 58 sowie ein weiterer U-föraiiger Ausschnitt ausgestanzt, der eine längliche Zunge bzw. einen Träger 88 bildet. Der Träger 88 ist dadurch geschaffen, daß seine Seiten nach oben umgefaltet sind, wodurch

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eine Rinne mit einem langen Momentarm gebildet ist. Die Aufwärtsbewegung des Trägers 88 wird durch eine am Rahmen 86 befestigte Stange 89 begrenzt. Diese als Überdruckschutz dienende Stange 89 besteht aus einer Stahllegierung und ist am Rahmen durch Punktschweißen befestigt. An der Basis des Trägers 88, wo dieser mit dem Rahmen 86 vereinigt ist, ist ein Dehnungsmesser 90 vorgesehen, der an diesem Punkt die Dehnung mißt. Ein in der Nähe des Dehnungsmessers 90 am Rahmen 86 angebrachter zweiter Dehnungsmesser 92 liefert ein Temperaturausgleichs-Bezugssignal.

Der Dehnungsmesser 90 fühlt den Druck innerhalb der Durchschleuskammer 68. Wenn Tinte unter Druck in die Durchschleuskammer 68 fließt, hebt sie die Membran 84 und den ihr überlagerten Träger 88 an. \Ierm. sich der Träger 88 anhebt, bewirkt er eine Dehnung am Dehnungsmesser 90, die dazu dient, den Druck innerhalb der Durchschleuskammer 68 elektrisch anzuzeigen. Das Signal des Dehnungsmessers 92 dient als Tenperaturausgleichs-Bezugssi^nal, um ein möglicherweise vorhandenes Signal zu löschen, v/elches lediglich durch Temperaturänderungen der Dehnungsmesser verursacht ist. Wenn der Dehnungsmesser 90 eine einer Druckänderung entsprechende Dehnung erfährt, erzeugt er ein elektrisches Signal, v/elches, wie nachfolgend im einzelnen erläutert, das Öffnen eines Durchgangsventils entsprechend dem wahrgenommenen Druck veranlaßt. Das Durchgangsventil reguliert die Tintenströmung durch die Ventilöffnung 70. Wenn die Anordnung ordnungsgemäß arbeiten ε-oll und die bestmögliche Tintenströmungssteuerung erzielt werden seil, muß das Durchgangsventil, welches Tinte zum Schreibkopf gelangen läßt, verschiedene kritische Merkmale erfüllen. Es muß leicht an Gewicht sein und schnell wirken und im geschlossenem Zustand einen Leckverlust haben der absolut null ist. Der Druckabfall über das Ventil hinweg ist sehr gering, und die Ventilbewegung selbst äußerst klein. Die in Fig. 2 und 3 gezeigte Ventilanordnung erfüllt die Anforderungen durch die Verwendung eines piezoelektrisch aktivierten als Ausleger ausgebildeten Trägers, dessen Abdichtkraft sich leicht einstellen läßt. Das Durchgangsventil weist als Stopfen eine

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Halbkugel 94 aus Glas auf, die an einem Tracer 96 befestigt ist, sowie die Keir/bran 84 und eine Dichtung 02. Unterhalb der Dichtung 82 ist ein Ventilsitz 98 angeordnet, durch den sich eine Ventilöffnung 100 erstreckt. Der Ventilsitz 93 ist im Anschlußbehälter 78 für den Tinteneinla3 enthalten. Dieser Ventilsitz ist vorzugsweise aus einen außerordentlich harten und korrosionsbeständigen Werkstoff, wie Rubin hergestellt. Die Dichtung 82 besteht vorzugsv/eise aus einem verhältnismäßig weichen Werkstoff, wie Silikonkautschuk und ist an der flexiblen Membran 84 befestigt, die die Bewegung des Ventils aufnimmt. Die weiche Dichtung ermöglicht die benötigte absolute Dichtung gegen Leckverlust bei sehr geringem Kraf taufv/and. Der Ventilsitz ist vorzugsweise nit kleiner Kontaktfläche und ohne scharfe Kanten ausgebildet, die möglicherweise in die Dichtung einschneiden könnten.

Die Halbkugel 94 sitzt oben auf der flexiblen Membran Die Halbkugel ermöglicht geringfügige Pluchtungsabweichunrren in der Drehstellung zwischen dem Träger 96 und dem Ventilsitz 98. Eine kleine, nach oben gerichtete, auf die Halbkugel ausgeübte Kraft öffnet das Ventil, und eine kleine nach unton gerichtete Kraft schließt es. 'denn, die Oberflächen des Ventilsitzes und der Dichtung keinerlei Fehler aufweisen und ordnungsgemäß ausgerichtet sind, braucht die Schließ- und Offnungskraft nicht mehr als 1 g zu betragen. Da die Ventilöffnung klein ist (ca. 0,02 cm), sind alle Ventilbauelemente klein und von geringer Masse und ermöglichen ohne weiteres eine rasche Betätigung.

Die Kraft zum Öffnen und Schließen geht von dem als Ausleger ausgebildeten Träger 96 aus, der aus einem piezoelektrischen Kristall 104 besteht, welcher mit einer vorspringenden Zunge 102 des Rahmens aus Metall verbunden ist. Die Zunge 102 hat ein Loch von kleinem Durchmesser, welches für die Halbkugel Platz bietet. Wenn das Ventil zusammengesetzt ist, wird die Halbkugel mittels eines Epoxyharzes mit dem Träger verbunden. Der Ventilsitz kann visuell geprüft werden, indem man durch das Loch im Rahmen guckt, da Dichtung und Membran

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durchsichtig sind. **

Wenn an dem Kristall 104 eine Spannung angelegt wird, verändert sich die Krümmung des Trägers 96, und das Ende des Trägers, an dem die Halbkugel angebracht ist, hebt sich, wodurch das Ventil geöffnet wird. Wird die Spannung aufgehoben, so kehrt das Ventil in seine normalerweise geschlossene Stellung zurück. Wenn die Halbkugel 94 von der Dichtung 82 abgehoben wird, kann Tinte aus der öffnung 100 in die Durchschleuskammer 68 unter der Membran 84 fließen.

Der Träger 96 ist vorzugsweise eine Reaktionsplatte aus rostfreiem Stahl, die an beiden Enden unmittelbar an der Grundplatte 58 angebracht ist. Der Träger 96 hat an den vom Ventil am weitesten entfernten Ende einen gekrümmten, federnd nachgiebigen Bereich 97, der als Federscharnier gegenüber der Grundplatte 58 wirkt. Durch den Träger 96 ist eine Stellschraube 101 für das Ventil geschraubt, die gegen die Deckplatte 60 wirkt, damit die senkrechte Stellung des entgegengesetzten Endes des Trägers 96 gegenüber der Dichtung 82 des Ventils eingestellt werden kann. Das ermöglicht es, die Dichtungskraft des Ventils bei der normalerweise geschlossenen Stellung einzustellen. Der Abstand zwischen der Stellschraube 101 und dem Drehpunkt des Rahmens ist viel größer als der Abstand von der Dichtung zum Drehpunkt, wodurch eine empfindliche Einstelleinrichtung geschaffen ist. Die Stellschraube kann zweckmäßigerweise 80 Gewindegänge auf einer Länge von 25,4 mm (pro Zoll) haben und etwa drei mal so weit vom Drehpunkt entfernt angeordnet sein wie die Dichtung des Ventils. Dadurch bewirkt jede volle Umdrehung der Stellschraube eine Bewegung am Ventil von ca. 0,01 cm. Der gekrümmte, federnde Abschnitt 97 am Ende des Rahmens gewährleistet den Kontakt zwischen der Stellschraube und dem Körper des Schreibkopfes und verhindert eine unerwünschte Bewegung des Ventilrahmens. Der Rahmen kann zweckmäßigerweise aus Stahl in einer Dicke von 0,012 cm bestehen, und der piezoelektrische Kristall kann die gleiche Dicke aufweisen. Wenn die Länge des Trägers 0,8 cm beträgt, läßt sich eine Endablenkung von 0,02 cm erzielen. Da die be-

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nötigte Bewegung nur 0,002 cm beträgt, kann die Stellschraube angezogen werden, so daß der Träger um 0,018 cm in seiner normalerweise geschlossenen Stellung durchgebogen ist, was eine Abdichtkraft von einigen Gramm ergibt. Der ganze Träger des Ventils wird dadurch kompakter gestaltet, daß das "feste" Ende des Auslegers an der entgegengesetzten Seite des Drehpunktes gegenüber der Ventilöffnung angeordnet ist, wie Fig. 2 zeigt.

Es ist die Aufgabe der Ventilcteuerschaltung, den Drue.: in der Impulse abfangenden Durchcchleuskamrcer zu regulieren, so da3 den Druckkammern unter den Treiberkristallen Tinte unter konstanten Druckcedingungen unabhängig von der Druckgeschwindigkeit, der Temperatur, der Viskosität der Tinte und anderen Parametern der Anlage zugeführt wird. Venn, während des Druckvorganges Tinte aus den Düsen ausgespritzt v/ird, ziehen die Kapillarkräfte in den Düsen Tinte aus der Durchschleuskammer 68 ab, um die ausgespritzte Tinte zu ersetzen. Durch diese Minderung des Volumens der Durchschleuskamrner wird der Druck geringfügig abgesenkt und der als Druckfühler wirkende Träger 88 nach unten gezogen, wodurch die Dehnung am aktiven Dehnungsmesser 90 erhöht wird, was dessen Widerstand geringfügig anhebt. Dies Druckwahrnehnungssystem ist äußerst empfindlich und exakt und imstande auf Druckänderungen anzusprechen, die nicht größer sind als 0,254 mn (0,01 Zoll) Wassersäule oder ca. 2 Atmosphären. Die Anordnung wird vor

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Beschädigungen durch übermäßig starke Drücke durch einen Überdruckschutz-Träger geschützt, der die Bewegung des Druckfühler-Trägers begrenzt, wobei die Werte ca. £ 10 cm Wassersäule oder ca. + 1 Atmosphäre entsprechen. Überdruck bis zu 1 At-

" Töü

mosphäre kann ohne Beschädigung des Systems kurzzeitig aufgebracht werden.

In Fig. 5 ist das Steuersystem für das Ventil gezeigt. Eine Bezugsspannung von ca. 5 Y liegt an den Dehnungsmessern an, die elektrisch in Reihe geschaltet sind als eine Seite einer Brückenschaltung 106, wie Fig. 5 zeigt. Die andere Seite der Brückenschaltung ist durch eine Reihenschaltung von

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zwei Bezugswiderständen 108 und 110 und ein dazwischen ungeordnetes Stellpotentiometer 112 vervollständigt. Die Einstellung ist so gewählt, daß, wenn kein Nettodruck in der Lurchschleuskammer und folglich keine Durchbiegung des Druckfühler-Trägers besteht, die Brückenschaltung ausgeglichen ist. Jedes Ungleichgewicht bzw. jede Verstimmung der Drückens ehalturig (aufgrund von Druckänderungen) erscheint als ein Untorschiedssignal zwischen dem beweglichen Kontakt des Potentiometers und dem gemeinsamen Knotenpunkt der Dehnungsmes£er 90 u::.i 92 und wird von einem Verstärker 114 verstärkt und in einen Tiefpaßfilter 116 ausgefiltert, um hochfrequente Störungen auszuschalten.

Das gefilterte und verstärkte Signal der I)ehnunr.^r;r.:e.,.:cr (Brückenverstimnung) wird in eine SpannungsvergleichEcc:.:-!.-tung 118 eingegeben und mit einer einstellbaren Schwellenspannung einer entsprechenden Quelle 120 verglichen. V/enn der Schreibkopf Tröpfchen ausstößt, fällt der Druck in der Durchschleuskammer ständig ab, und das Meßgerätesignal sinkt proportional dazu, \ienn das Signal der Dehnungsmesser unter die Schwellenspannung minu3 einer von einer Quelle 122 gelieferten Hysteresespannung absinkt, gibt die Spannungsvergl&ichsschaltung ein Signal an eine Ventiltreiberschaltung 124 ab, um das Ventil für die Durchschleuskanmier durch Anlegen einer entsprechenden Spannung an den Kristall 104 zu öffnen.

Wenn das Ventil offen ist, fließt Tinte schneller aus der Patrone 12 in die Durchschleuskammer 68 als Tinte aus den Düsen 66 ausgespritzt wird, wodurch der Druck und das Signal der Dehnungsmesser ansteigen. \!enn das Heßgerätesignal die Schwellenspannung plus Hysteresespannung überschreitet, gibt die Spannungsvergleichsschaltung 118 ein Signal an die Ventiltreiberschaltung 124 zum Schließen des Ventils ab. Auf diese Weise wird den Tintenausstoßkammern 62 unter den Treiberkristallen 71 bis 77 immer genau die richtige Tinteninenge zur; Ersatz der ausgestoßenen Tinte zugeführt. Die Quelle 120 für die Schwellenspannung kann auf einen beliebigen Wert eingestellt werden, und damit kann der Druck in der Durchschleuskamner

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nach Wunsch eingestellt werden, natürlich innerhalb der physikalischen Grenzen des Druckers. Auch die Quelle 122 für die Hysteresespannung kann auf einen beliebigen V/ert eingestellt werden, wobei die untere Grenze durch die Stabilität des Steuersysteins bestimmt ist. Zweckmäßige Werte für Schwellendruck und Hysterese sind minus 5 cm H₂O bzw. 0,1 cm 1^0.

Da das Strömungsvolumen sehr gering ist und das Ventil schnell arbeiten muß, ist auch die Ventilöffnung 100 klein (ca. 0,002 cm). Die Fluidströmung durch eine solche kleine Öffnung ist normalerweise durch die Viskosität begrenzt, d.h. die Pluidgeschwindigkeit im Ventil erreicht rasch einen Grenzwert, bei dem die Viskosekräfte die von der I^Jatrone 12 erzeugte Antriebsdruckkraft ausgleichen. Der gesamte Durchsatz durch das Ventil ist dann proportional zum Druck in der Tinte enthaltenden Patrone 12. Bei abnehmendem Druck in der Patrone nimmt der Strömungsdurchsatz durch das Ventil ab, und die zum Wiederauffüllen der Durchschleuskammer 68 benötigte Zeit nimmt zu, wie durch die Kurve 126 in Pig. 6 angedeutet. Im Grenzfall, bei dem der Tintenvorrat leer ist, würde das Ventil ständig offen bleiben. Wenn man den Schreibkopf unter dieser Bedingung arbeiten ließe, fiele der Druck in der Durchschleuskammer 68 so lange ab, bis er einen Wert erreichte, der dem maximalen negativen Kapillardruck in den Düsen entspräche. An diesem Punkt würden die Düsen nicht mehr aus der Durchschleuskammer nachgefüllt, und Luft würde in die Düsen eindringen, was das weitere Ausstoßen von Tropfen verhindern würde. Ein solcher Ausfall ist schwer zu korrigieren und läßt sich nur vermeiden, wenn der Tintenvorratsbehälter erneuert Vifd, ehe der Druck auf so niedrige Werte absinkt.

Um zu verhindern, daß das geschieht,ist der Drucker mit einer elektronischen Schaltung versehen, die Schreibkopfausfälle wegen Tintenmangels verhindert. Eine maximal erlaubte Ventilimpulslänge wird empirisch bestimmt, und dieser Wert jedesmal, wenn sich das Ventil öffnet, mit dem tatsächlichen Ventilimpuls elektronisch verglichen. Wenn unter Bezugnahme auf Pig. 5 ein Ventilimpuls von der Spannungsvergleichsschaltung 118 ausgelöst wird, wird SJ-ßtebttl·tiS, S^P- monostabiler Multivi-

brator 128 angesteuert, und das Vergleichssignal wird auch dem D-Eingang eines Flipflop-Speichereleinents 130 der L-Type zugeführt. Der Multivibrator ist auf eine Verzögerungezeit entsprechend der maximal erlaubten Impulslänge eingestellt. Am Ende dieser Verzögerung wird der Zustand des Flipflop-Speicherelements 130 dadurch geprüft, daß dessen Ausgang an den CP-Taktimpulseingang angelegt wird, der anzeigt, ob das Ventil noch offen ist, indem er auf wahr geht, wenn das Ventilsignal noch am D-Eingang anliegt. Wenn das Ventil offen ist, wird ein Signal an eine "Tintenmangel"-Anzeigeschaltung 132 abgegeben. Auf das Fehlersignal kann in verschiedener Weise reagiert werden; aber auf jeden Fall muß die maximale Druckgeschwindigkeit bedeutend herabgesetzt v/erden. Wenn z.B. die Druckgeschwindigkeit (und damit die Strömung durch das Ventil) auf ein Drittel des Normalwertes reduziert wird, sinkt die Ventilimpulslänge auf einen Wert unterhalb der maximal erlaubten Impulslänge ab, und der Druckvorgang kann mit dieser geringen Geschwindigkeit noch eine Weile fortgesetzt werden, was es der Bedienungsperson ermöglicht, den passenden Zeitpunkt zum Ersatz der Patrone mit Tinte zu wählen. Andererseits muß bei unmittelbarem Anhalten des Druckvorganges die gerade gedruckte Information gespeichert werden, bis die Patrone ersetzt ist.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind folgende typische Werte für die oben beschriebenen Parameter gewählt:

Typische Parameter der Tintenzufuhranordnung

Tintenbehältervolumen 100 enr Anfangsdruck 0,4 atm

Abschaltdruck 0,1 atm

Ventilimpulslänge 10 Millisekunden Öffnungszeit 1 Millisekunde

Abschalt-Impulslänge 50 Millisekunden Maximale Öffnung 0,002 cm

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	ZS	*2121*
Impuls- Abfang -Druck		-5 cm H₂O
Hysteresedruck		0,1 cm H₂O
Hysteresevolumen		0,0002 cm⁵
Tintenviskosität		6 Centipoise
Oberflächenspannung		50 dyne/cm
Düsenkapillardruck		15 cm H₂O

Die Düsenzufuhranordnung gemäß der Erfindung, die aus der unter verhältnismäßig hohem Druck stehenden Tintenquelle, dem Regulierventil und der Druckfühleranordnung mit Überdruckschutz besteht, eignet sich auch in ausgezeichneter Weise zum Ausschalten von Luftbläschen, die durch Stöße, Vibrationen oder Fehlfunktionen in den Schreibkopf eindringen konnten. Der durchschnittliche Arbeitszyklus des Ventils ist typischerweise ziemlich klein, selbst bei dem ITiedrigdruck-Abschaltpunkt. Y/enn also das Ventil vollkommen geöffnet ist, kann die gesamte Strömungsmenge durch die Düsen viel großer sein als während des Tröpfchenausstoßverfahrens, und sie folgt immer einer Richtung von der Durchschleuskammer eu den Düsen. Um also Luftbläschen auszuschalten, wird das Ventil anfangs ziemlich lange (einige Sekunden lang) vollkommen geöffnet, was eine verhältnismäßig große Kenge Tinte durch den Schreibkopf fließen und die Bläschen ausmalen läßt. Die durch die Düsen fließende Tinte wird dann gesammelt und beseitigt und der Schreibkopf in seinen normalen "druckbereiten" Zustand zurückversetzt.

Unter besonderem Hinweis auf die Pig. 2, 7 und 8 wird der Schreibkopf 56 der Erfindung erläutert. Ein hier nicht gezeigter₇elektronischer Impulsgenerator liefert über einen elektrischen Anschluß 134 und ein Flachkabel 136 Impulse an den Schreibkopf. Sei Erhalt eines elektronischen Impulses vom Impulsgenerator entlädt der Schreibkopf 56 und projiziert ein einziges abgesondertes Tröpfchen Druckfluid aus einer Mündung, wie im einzelnen in der parallel laufenden US Anmeldung 489 985 entsprechend der Deutschen Anmeldung P 25 32 037.0 (S 31P1 D) der Anmelderin beschrieben. Jeder elektrische Impuls erzeugt unabhängig von irgendeinem vorherigen Signal ei-

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nen einzigen Tropfen. Der Schreibkopf enthält nehrere Tröpfchenausstoßeinrichtungen, typischerweise sieben Tröpfchenausstoßvorrichtungen in einer senkrechten Säule, von denen jede unabhängig betätigbar ist. Der elektronische Impulsgenerator arbeitet nicht mit Resonanzfrequenz sondern ruft nach einem vorherbestimmten, zu druckenden Muster ein Tröpfchen hervor.

Zur exakten Aufnahme der Information auf einem Aufzeichnungsmaterial 138 folgen die Tintentröpfchen aus der !'ündung am Schreibkopf zum Aufzeichnungsnaterial einer im wesentlichen geraden Bahn. Auf diese V/eise führt eine sorgfältige Anordnung des Aufzeichnun^snaterials in Verhältnis zur Vorrichtung dazu, daß Tröpfchen in einem vorherbestimmbarer. ;luster entsprechend vom elektronischen Impulsgenerator erzeugten Signalen auftreffen. Diese Signale sind von der zu druckenden Information bestimmt. Um die bestmögliche Aufzeichnung der Information zu erzielen, sollte das Tröpfchen von exakter ur.d vorherbestimmbarer Gestalt und Volumen sein. Das bedeutet, daß jedes Tröpfchen den elektronischen Signalen des elektronischen Impulsgenerators genau folgen muß, so daß in gleichmäßigen Abständen erfolgende gleichmäßige Signale in gleichmäßigen Abständen abgegebene, gleichmäßige Tröpfchen erzeugen.

Das Tröpfchen wird aus dem Schreibkopf 56 durch die plötzliche Volumenminderung in der Tintenausstoßkamner 62 ab~e.-eben. Diese plötzliche Volumenverkleinerung wird dadurch erzielt, daß eine hier nicht gezeigte Platte in die Karr:er abgebogen wird, um eine ausreichend große Menge Tinte für ein Tröpfchen zu verdrängen. Das Durchbiegen der Platte wird durch Aktivierung eines der Kristalle 71 bis 77 verursacht, wie im einzelnen in der oben genannten parallel laufenden Anmeldung beschrieben. Die Durchbiegung muß so rasch erfolgen, daß sie dem Fluid in der Düse 66 ausreichend kinetische Energie übermittelt, um einen Teil des Fluids über die Entweichgeschwindigkeit hinaus zu beschleunigen. Die Entweichgeschwindigkeit ist die Mindestgeschwindigkeit, die einen sich von der Düse 66 erstreckenden Tintenpfropfen veranlaßt, sich von der Düse zu

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trennen und ein freies Tröpfchen zu bilden.

Dieser Vorgang des Tröpfchenausstoßes hängt in kritischer Weise von der Tatsache ab, daß der Schreibkopf vollkommen mit Tinte gefüllt ist, und daß keine Luftbläschen im Schreibkopf eingefangen sind. Darüberhinaus dürfen keine Luftbläschen durch den Tinteneinlaß oder durch die Düse eindringen. Die Tintenzufuhranordnung ist so ausgelegt, daß die größtmögliche Sicherheit besteht, daß keine Luft ins System gelangt, wie oben im einzelnen erläutert.

Wie bereits erwähnt enthält der Anschlußbehälter zur Versorgung des Schreibkopfes mit Tinte einen Peinfilter 99 und eine elastomere Scheidewand 44'. Wenn der Schreibkopf eingebaut wird, durchstößt die für die Tintenzufuhr bestimmte Kanüle die Scheidewand und fördert Tinte in den Anschlußbehälter. Sollten unbeabsichtigterweise kleine Gasbläschen beim Einbau eindringen, so verhindert der Peinfilter daß sie in den Schreibkopf 56 gelangen. Eine für den Filter geeignete zweckmäßige Porengröße beträgt 5 P (5 x 10" m). Um ferner sicherzustellen, daß keine Luftbläschen in die Tintenzufuhranordnung gelangen, wird diese zunächst zum Entfernen von Luft mit COp gespült. Anschließend wird sie mit Natriumhydroxid gespült, um das COp zu absorbieren. Danach wird die Anordnung mit Tinte (ohne den Farbstoff) gespült, was das Natriumhydroxid entfernt.

Da es erwünscht ist, daß der Schreibkopf 56 leicht austauschbar ist, ist er abnehmbar an einem Wagen 140 angebracht, der auf zwei Schienen 142 bewegbar ist, die sich horizontal und mit Abstand vom Aufzeichnungsmaterial 138 erstrecken. Der Wagen 140 wird mit Hilfe eines gezahnten Antriebsriemens 144 an den Schienen 142 entlang bewegt. Der Wagen bewegt sich über die Oberfläche des Papiers hinweg, während der Schreibkopf Tröpfchen ausstößt, um auf dem Aufzeichnungsmaterial Zeichen abzubilden.

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Am Wagen ist ein Aufnahmebehälter 146 für den Anschlußbehälter 78 in Form eines Paßstücks am Schreibkopf 56 angebracht. Der Aufnahmebehälter 146 enthält eine kleine Kanüle 18', die versteckt gezeigt ist und die Scheidewand 44' am Schreibkopf durchstößt. Die Kanüle 18' sollte so klein wie möglich sein, um Beschädigungen der Scheidewand auszuschließen und dem Fluid aus dem Tintenbehälter geringen Widerstand zu leisten. Eine Kanüle mit einem Innendurchmesser von 1 mm hat sich als sehr zufriedenstellend erwiesen. Wenn der Schreibkopf am Wagen 140 angebracht ist und die Kanüle 10' die Scheidewand 44' durchstoßen hat, wie oben beschrieben, wird der Schreibkopf 56 um die Kanüle 18· gedreht, um den Abstand zwischen dem Schreibkopf und dem Aufzeichnungsmaterial 138 einzustellen. Wenn der richtige Abstand erreicht ist, wird der Schreibkopf 56 gegenüber dem Wagen 140 durch mechanische Befestigungsmittel, beispielsweise eine Schraube 148 festgelegt, die durch ein erweitertes Loch 150 im Wagen 140 eingesteckt und in ein Loch 152 im Schreibkopf 56 eingeschraubt ist. Auf diese Weise wird weder die Kanüle noch die Scheidewand beansprucht.

Wie oben schon erwähnt, enthält der Aufnahmebehälter eine nicht gezeigte bewegliche Dichtung und eine Feder, die eine Stellung über der Kanüle einnehmen, wenn der Schreibkopf abgenommen wird. Das schützt die Kanüle vor Verschmutzung und verhindert daß Tinte austropft und Luft in die Anlage eindringt. Die Dichtung kann aus verschiedenen elastomeren Werkstoffen bestehen, wobei die Anforderungen ähnlich sind wie bei der Scheidewand. Als besonders geeignet haben sich Urethan und Butylkautschuk erwiesen.

Die Kanüle 18' ist mit der flexiblen Tintenzufuhrleitung 80 verbunden, die Tinte aus der Patrone 12 zum Schreibkopf 56 leitet. Die Leitung muß während der ganzen Lebensdauer des Druckers den vollen Tintenzufuhrdruck aushalten (ca. 0,5 Atmosphären Überdruck). Die Leitung muß außerdem von niedriger

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Dampfdurchlässigkeit sein, um das Verdunsten, und eine mögliche Bildung von Luftbläschen auf ein Minimum einzuschränken. Außerdem muß die Leitung flexibel bleiben, da sie das Eindeglied zwischen der ortsfesten Patrone 12 und dem sich bewegenden Wagen 140 für den Schreibkopf darstellt. Als besonders zufriedenstellend hat sich eine Leitung aus "Tygon" mit einem Innendurchmesser von ca. 1 mm erwiesen. "Tygon" ist ein Warenzeichen der Norton Company, Akton, Ohio für extrudierte, weichgemachte Polyvinylchloridschläuche.

Zur Herstellung der elektrischen Verbindung mit dem Schreibkopf ist dieser einstückig mit einem Vorsprung 148 versehen, der eine Verlängerung einer Seite bildet. Auf diesen Vorsprung 148 ist eine Vielzahl elektrischer Spuren 150 isoliert aufgebracht, die nach Art einer gedruckten Schaltung mit den einzelnen Kristallen verbunden sind, welche die Tintenaus stoßkammern, den Druckfühler und die Ventilöffnungsvorrichtung steuern. Der Vorsprung 148 bildet einen Stecker, der in einer entsprechenden, vom Wagen 140 getragenen elektrischen Passung 134 aufgenommen ist. Zwischen die Passung 134 und eine nicht gezeigte elektronische Schaltung zum Betrieb des Schreibkopfes ist ein Flachkabel 136 geschaltet. Hierdurch ist der Schreibkopf 56 aufgrund der ohne weiteres lösbaren mechanischen und elektrischen und Fluidverbindungen am Wagen 140 austauschbar.

Ein gemäß der Offenbarung konstruierter Schreibkopf wiegt ca. 7 g, läßt sich leicht einbauen und ist im Betrieb zuverlässig. Allerdings sind verschiedene seiner Bauelemente außerordentlich empfindlich und leicht beschädigbar. Darüberhinaus wirictdie flache Gestalt des Schreibkopfes, die zum elektrischen Anschluß so zweckmäßig ist, als Verstärker für die Kristallvibrationen und kann sehr geräuschvoll sein. Diese Schwierigkeiten werden dadurch umgangen, daß der Schreibkopf von einem Behälter umgeben wird, der die strukturellen Vibrationen verteilt und den Schreibkopf vor Beschädigungen schützt. Die Behälterstruktur ist in den Fig. 7, 8 und 9 gezeigt.

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Beim Zusammenbau des Schreibkopfes wird der fertige Schreibkopf 56 mit einer dünnen isolierenden Lackschich:; überzogen. Die Rückseite des Schreibkopfes v/ird dann mit Hilfe eines außerordentlich viskosen, nicht flüchtigen Mittels, wie Vakuumfett an einem Behälterboden 152 befestigt. Der Anschlußbehälter 78 am Schreibkopf für den Tinteneinlaß wird in eine Öffnung 154 im Behälterboden 152 eingesetzt. Dann wird die Treiberkristallfläche des Schreibkopfes mit einer verhältnismäßig dicken Schicht (ca. 0,05 cm dick) eines geeigneten Schwingungsdämpfungsmaterials überzogen.

Danach v/ird ein passender Behälterdeckel 156 aufgedrückt, der innige Berührung mit dem Schalldämpiungsmaterial hers teilt. Unter Verwendung eines Silikondichtmittels werden Behälterdeckel 156 und Behälterboden 152 gegeneinander abgedichtet. Die dabei entstehende Schreibkopfanordnung kann ohne weiteres gehandhabt werden, ohne daß Gefahr besteht, die am Schreibkopf angebrachten empfindlichen Bauelemente zu beschädigen. Außerdem ist der Schreibkopf beinah geräuschlos ira Betrieb. Der Schreibkopf läßt sich ohne weiteres vom Drucker abnehmen, indem die Passung 134 am Rand vom steckerartigen Vorsprung 148 am Schreibkopf 56 abgezogen und der Schreibkopf vom Aufnahmebehälter und der Kanüle für die Tintenzufuhr entfernt wird. Dieser Einbau- und Ausbauvorgang kann wiederholt durchgeführt werden, ohne daß Nachstellungen oder Prüfvorgänge nötig sind.

Um jede Schreibkopfeinheit gegen jede andere Schreibkopfeinheit völlig austauschbar zu machen, müssen gewiße elektrische Nachstellungen vorgenommen werden. In der bereits erwähnten parallel laufenden Patentanmeldung ist beschrieben, wie die Geschwindigkeit der Tropfen aus jedem der sieben Kanäle durch entsprechende Wahl von Reihenwiderständen für jeden der Treiberkristalle gleichgemacht werden kann. Es müssen also sieben Widerstände vorgesehen sein, um die Tröpfchengeschwindigkeiten auszugleichen.

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Wie oben erwähnt, erfordern Widerstandschwankungen bei den Dehnungsmessern und Toleranzen beim mechanischen Zusammenbau, daß elektrische Nachstellungen vorgenommen werden müssen, um sicherzustellen, daß sich das Ventil bei der richtigen Druckhöhe öffnet. Diese Nachstellmöglichkeit ist als variabler Widerstand in Fig. 5 gezeigt. Sobald der Wert dieses Widerstandes bestimmt worden ist, wird ein gesonderter Widerstand ausgewählt, um den Ventilschwellendruck festzulegen. Abweichungen bei den Einbautoleranzen machen es außerdem nötig, die Breite der Antriebsimpulse für die Treiberkristalle für jeden Schreibkopf individuell zu wählen. Üblicherweise ist die Schwankung zwischen Kristallen bei einem gegebenen Schreibkopf gering, so daß alle sieben mit der gleichen Impulsbreite angetrieben werden können. Die Impulsbreite läßt sich mit verschiedenen Einrichtungen steuern, von denen die meisten durch Wahl eines spezifischen Widerstandswertes eingestellt werden können.

So sind neun gesonderte Widerstände nötig, um die elektronischen Eingänge für den Schreibkopf einzustellen. Die Schreibkopfeinheit aus Schreibkopf 56 und den neun gesonderten Widerständen ist dann gegen jede andere Schreibkopfeinheit vollkommen austauschbar. Die neun Widerstände sind zweckmäßigerweise in der Baueinheit der Passung 134 mit aufgenommen. Dies Widerstandsmodul ist elektrisch und lösbar mit dem Schreibkopf, der Schreibkopfantriebselektronik oder Verbindungskabeln verbunden, damit es die nötige Aufgabe erfüllen kann.

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Claims

Silonics, Inc., Sunnyvale, CaI. U.S.A.

Tintenstrahldrucker

Priorität: 7. Juni 1976 - USA - Serial No. 694,064

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Patentansprüche

( 1.(Tintenstrahldrucker mit einem Tintenvorrat, einem asynchron mit Volumenverdrängung und Tröpfchenausstoß arbeitenden Schreibkopf, der mit dem Tintenvorrat in Pluidverbindung steht und mindestens eine Trüpfchenausstoßdüse hat, und einem Wagen, der eine relative Bewegung zwischen dem Schreibkopf und einem Aufzeichnungsmaterial bewirkt, gekennzeichnet durch einen Vorrat an von Gas befreiter flüssiger Tinte, einen zusammenfaltbaren Behälter für

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ORIGINAL INSPECTED

- A 2 -

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die Tinte, der die Tinte während der Lagerung, des Austausches von Behältern und der Benutzung im Tintenstrahldrucker in ihrem gasfreien Zustand hält, einen Aufnahmebehälter für den zusammenfaltbaren Behälter, der den Behälter lösbar aufnimmt, eine Zufuhrleitung, die eine Pluidverbindung zwischen dem Aufnahmebehälter und dem Gehreibkopf herstellt, eine i:inrichtung innerhalb des Aufnahmebehälters, die eine Pluidverbindung zwischen dem Innern des zusammenfultbaren Behälters nach dem Einsetzen in den Aufnahmebehälter und der Tinten^ufuhrleitung herstellt und die Tintenzufuhrleitung und den Aufnahmebehälter gegen Fluid und Gas verschließt, wenn der Behälter vom Aufnahmebehälter abgenommen wird, wobei der Schreibkopf eine Ventileinrichtung hat, die den Tintenstrom aus ler Zufuhrleitung in den Schreibkopf steuert, und eine Einrichtung, die den Druck der Tinte innerhalb des Schreibkorfes anfühlt, und wobei die Ventileinrichtung die Druckfühleinrichtung gegenüber dem Druck des Tintenvorrats innerhalb des zusamme nfaltbaren Behälters abtrennt, und daß eine steuereinrichtung vorgesehen ist, die an die Druckfühleinrichtung angeschlossen ist und das Öffnen und Schließen der Ventileinrichtung steuert.
2. Tintenstrahldrucker nach Anspruch 1,

dadurch gekennze i chne t, daß eine './ahrnehmeinrichtung für den Tintenstand vorgesehen ist, die abi'ülilt, wenn der Tintenbehälter nicht mehr in der Lage ist, Tinte mit einer zum Drucken durch den Schreibkopf angemessenen Geschwindigkeit zuzuführen, und daß die Tintenstandswahrnehmeinrichtung ein Signal erzeugt, welches anzeigt, daß der zusammenfaltbare Tintenbehälter ersetzt werden muß.
3. Tintenstrahldrucker nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Ventileinrichtung eine Ventilöffnung aufweist, durch die bei geöffnetem Ventil Tinte strömt und die an die Tintenzufuhrleitung angeschlossen ist, eine Ventildichtung, die aus einem v/eichen elastomeren Werkstoff hergestellt ist und beim Anpressen ge-

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ORIGINAL INSPECTED

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gen die Ventilöffnung die Tintenströmung durch die Ventilöffnung unterbricht, eine flexible Membran, an der die Ventildichtung so befestigt ist, daß eine Bewegung der Ventildichtung ermöglicht ist, ein Bindeglied, das mit der Kembran verbunden ist, eine mechanische Krafteinrichtung, mittels der Kraft über das Bindeglied auf die Membran aufgebracht wird, wobei die Ventilöffnung, die Ventildichtung, die Membran und Verbindungseinrichtungen alle am Schreibkopf angebracht sind.
4. Tintenstrahldrucker nach Anspruch 3,

dadurch gekennz e i chne t, daß die Einrichtung zum Aufbringen einer Kraft auf das Bindeglied einen Auslegerträger aufweist, der an einem Ende des Schreibkopfes angebracht ist, eine piezoelektrische Einrichtung, die die Krümmung und Durchbiegung des freien Endes des Auslegerträgers entsprechend einem über die piezoelektrische Einrichtung angelegten elektrischen Steuersignal steuert.
5. Tintenstrahldrucker nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum Einstellen derShließkraft des Auslegerträgers bei Abwesenheit des Steuersignals an die piezoelektrische Einrichtung vorgesehen ist, die eine Gewindeschraube umfaßt, welche sich durch den Auslegerträger erstreckt und an einer Oberfläche des Schreibkopfes anliegt.
6. Tintenstrahldrucker nach Anspruch 5,

dadurch gekennze lehnet, daß die aktive Länge des Auslegerträgers den Abstand zwischen derjenigen Stelle, an der er am Schreibkopf verankert ist und der Ventilöffnung übersteigt.
7. Tintenstrahldrucker nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die zusammenfaltbare Behältereinrichtung einen elastomeren Sack aufweist, der geeignet ist, wenn er mit Tinte aufgeblasen ist, einen Druck

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auf den Tintenvorrat im Bereich von 0,14 bis 0,70 kg/cm
(2 - 10 p.s.i.) aufzubringen, eine Einrichtung zum Spannen
des nicht aufgeblasenen elastomeren Sacks, eine weiche Scheidewand, die den Einlaß in den Sack überdeckt, und eine starre äußere Hülle für den elastomeren Sack, die einen vorspringenden Bereich zum Einsatz in den Aufnahmebehälter umfaßt.
8. Tintenstrahldrucker nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichne t, daß der Aufnahmebehälter eine Einrichtung hat, die die starre äußere Hülle des
elastomeren Sacks festhält, und eine Einrichtung zum Herstellen einer Pluidverbindung zwischen dem Behälter und der Tintenzufuhrleitung eine hohle Kanüle umfaßt, die am Aufnahmebehälter fest angebracht ist, eine bewegliche Lichtung, die im Aufnahmebehälter enthalten ist, und eine Einrichtung, mittels der die Dichtung über das offene Ende der hohlen Kanüle bewegt wird, wenn der Tintenbehälter aus dem Aufnahmebehälter
entfernt wird.
9. Tintenstrahldrucker nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Tintenstandswahrnehmeinrichtung eine Einrichtung aufweist, die das Steuersignal an die Ventileinrichtung abfühlt und immer dann ein
Tintenmangel-Anzeigesignal erzeugt, wenn die Größe des Steuersignals an die Ventileinrichtung einen vorherbestimmten Wert übersteigt.
10. Tintenstrahldrucker nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Tintenstandswahrnehmeinrichtung eine Einrichtung aufweist, die das Steuersignal an die Ventileinrichtung abfühlt und immer dann ein
Tintenmangel-Anzeigesignal erzeugt, wenn die Frequenz des
Steuersignals an die Ventileinrichtung einen vorherbestimmten Wert übersteigt.
11. Tintenstrahldrucker nach Anspruch 9»

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- A ^t -

dadurch gekennzeichnet, daß die Tintenstandswahrnehmeinrichtung die Dauer des Steuersignals an die Ventileinrichtung abfühlt und diese Dauer mit einem voreingestell·· ten Wert vergleicht und immer dann das Tintenmangel-Anzeigesignal erzeugt, wenn die Dauer des Ventilsteuersignals den voreingestellten Wert übersteigt, und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die den Tintenstrahldrucker immer dann stillsetzt, wenn ein Tintenmangel-Anzeigesignal vorhanden ist.

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