DE3879125T2 - Farbstrahlschreiber mit tintenvorrat und verteilungsmoeglichkeit. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft im allgemeinen Flüssigkeitszuleitungssysteme und im besonderen ein Flüssigkeitszuleitungssystem zur Anwendung bei Tintenstrahlschreibern in Tintenstrahldrucksystemen.
• Bei der Herstellung von Einwegschreibern für verschiedene Arten von Tintenstrahldruckern wurden verschiedene Wege verfolgt, um sicherzustellen, dar ein im wesentlichen konstanter Gegendruck (oder Unterdruck) auf den Schreibkopf des Schreibers gewährleistet wird, während die Tinte sich vom vollen zum leeren Zustand während eines Tintenstrahldruckvorgangs entleert. Auf diese Weise bleibt die Größe der Tintentropfen, die aus einer Düsenplatte des Schreibers ausgespritzt werden, während der Entleerung der Tinte konstant und zusätzlich verhindert dieser Gegendruck das Lecken von Tinte aus der Düsenplatte, wenn eine Düse nicht feuert. Ein solcher Weg, einen im wesentlichen konstanten Gegendruck in dem Tintenbehälter eines thermischen Tintenstrahlschreibers zu gewährleisten, ist in dem US-Patent Nr. 4 509 062 offenbart und beansprucht, das an Robert Low et al. ausgegeben wurde und den Titel "Ink Reservoir with Essentially Constant Negative Backpressure" trägt.
• Während der Weg, der in dem oben genannten Patent von Low et al. beschrieben wurde, sich in vielfacher Hinsicht als in hohem Mab zufriedenstellend und einzigartig herausgestellt hat, erfordert er jedoch und basiert auf einer zusammendrückbaren Blase, um einen im wesentlichen konstanten Gegendruck in dem Tintenbehälter über einen bestimmten Bereich der Tintenentleerung darin aufrechtzuerhalten. Dieses Erfordernis einer zusammendrückbaren Blase hat gewisse begleitende Nachteile, insbesondere volumetrische Unzulänglichkeit. Diese Nachteile sind durch die vorliegende Erfindung überwunden worden und können durch die folgende Beschreibung richtig eingeschätzt und besser verstanden werden.
• Ein anderer, neuerer Weg zum Bevorraten von Tinte in einem Tintenbehälter eines Einwegtintenstrahlschreibers ohne die Benutzung einer zusammendrückbaren Blase ist in der EP-A-0 261 764 von Jeffrey Baker et al. offenbart, die am 1.Juli 1986 eingereicht wurde, dem gegenwärtigen Anmelder übertragen wurde und hier als Referenz enthalten ist. Bei diesem letzteren Weg wird ein netzförmiger Polyurethanschaumstoff als Tintenbevorratungsmedium für Schwarz wie auch für Farbschreiber verwendet. Diese neuere Technik, Tinte in einem porösen Medium wie Polyurethanschaumstoff zu speichern, ermöglicht verschiedene neue und nützliche Verbesserungen gegenüber den früheren Bevorratungstechniken von der Art mit einer Blase. Die Erfordernis eines porösen Bevorratungsmediums in dem Haupttintenbehälter des Schreibers begrenzt jedoch die volumetrische Speicherausnutzung des Tintenbehälters. Außerdem kann der Gegen- oder Rückdruck während der Tintenentleerung nicht annähernd so konstant gehalten werden wie bei dem hier offenbarten Verfahren. Weiterhin erhöht der geschnittene und gereinigte Schaumstoff wesentlich die Kosten des Schreibers mit Schaumstoffbevorratung.
• US-A-3 967 287 und JP-A-61 22 952 offenbaren jeweils ein Flüssigkeitszuleitungssystem, welches einen ersten Behälter, einen zweiten Behälter und eine Düsenplatte enthält, welche sämtlich durch einen Flüssigkeitsströmungspfad verbunden sind, wobei der Flüssigkeitsströmungspfad ein poröses Teil enthält.
• Es ist ein allgemeines Ziel der vorliegenden Erfindung, noch weitere neue und nützliche Verbesserungen bei Flüssigkeitszuleitungssystemen zur Anwendung bei Tintenstrahlschreibern zu ermöglichen, so dar die Tintenbevorratung verbessert wird, ohne daß ein poröses Material oder ein anderes Tintenbevorratungsmedium verwendet wird, wobei der entsprechende Bevorratungsraum innerhalb des Schreiberrumpfgehäuses gelegen sein soll.
• Es ist ein weiteres Ziel, ein neues und verbessertes Flüssigkeitszuleitungssystem der beschriebenen Art zu schaffen, bei welchem das Vorratsvolumen wesentlich erhöht werden kann, verglichen mit der Schaumstoffbevorratung bei anderen ähnlichen Arten eines Flüssigkeitszuleitungssystems der beschriebenen Art, deren Bevorratungsvolumen wesentlich durch Umgestaltung erhöht werden kann, sollte sich dies als wünschenswert herausstellen. Die Bevorratung der Flüssigkeit in Schaumstoff legt eine unerwünschte obere Grenze des Volumens der Flüssigkeit fest, die gespeichert werden kann.
• Es ist ein weiteres Ziel, ein Flüssigkeitszuleitungssystem der beschriebenen Art zu schaffen, welches mit einem im wesentlichen konstanten nominellen Gegendruck in einem vorbestimmten breiten Bereich von Temperaturen und anderen Umgebungsbedingungen während des Betriebs des Systems arbeitet, wenn dieses vom vollen zum leeren Zustand entleert wird.
• Ein weiteres Ziel ist, ein Flüssigkeitszuleitungssystem der beschriebenen Art zu schaffen, dessen Gegendruck weniger durch den Durchfluß beeinträchtigt wird als bei solchen Systemen, welche Tinte in Schaumstoff speichern.
• Es ist ein weiteres Ziel, ein neues und verbessertes Flüssigkeitszuleitungssystem der beschriebenen Art zu schaffen, das im Betrieb zuverlässig, haltbar und in der Konstuktion kostengünstig ist und welches keine mechanisch bewegten Teile benutzt.
• Die oben genannten Ziele, andere Vorteile und neue Merkmale dieser Erfindung wurden durch die Schaffung eines Tintenstrahlschreibers erreicht, welcher ein Schreiberrumpfgehäuse umfaßt, das einen Abschnitt mit einem ersten Tintenbehälter, einen zweiten Tintenbehälter und einen Trägerabschnitt für den Schreibkopf enthält. Ein Tintenkanal verbindet alle oben genannten Abschnitte, um Tinte aus dem Abschnitt mit dem ersten Tintenbehälter zu dem Abschnitt mit dem zweiten Tintenbehälter sowie dem Trägerabschnitt für den Schreibkopf während eines Tintenstrahldruckvorganges zuzuführen. Ein poröses Element ist zwischen dem Tintenkanal und dem Abschnitt mit dem zweiten Tintenbehälter sowie dem Trägerabschnitt für den Schreibkopf eingebaut und ein Schreibkopfelement ist an der äußeren Oberfläche des Trägerabschnitt für den Schreibkopf angebracht, um Tinte aus dem porösen Element während des Tintenstrahldruckens aufzunehmen. Tinte flieht während Änderungen der Betriebsbedingungen (Temperatur und Umgebungsdruck) zwischen dem ersten und zweiten Tintenbehälter hin und her und durch das poröse Element hindurch, um auf diese Weise zu verhindern, dar Tinte aus den Düsen des Schreibkopfs leckt.
• Die oben gegebene kurze Zusammenfassung der vorliegenden Erfindung wird in der folgenden detailierten Beschreibung der beigefügten Zeichnungen besser verständlich, wobei
• Fig.1 eine perspektivische Explosionsdarstellung des Tintenstrahlschreibers gemäß der Erfindung ist,
• Fig.2 eine Ansicht im Querschnitt längs der Linie 2-2 der Figur 1 ist.
• Nunmehr bezugnehmend auf die Figuren 1 und 2 wird das Schreiberrumpfgehäuse allgemein mit 10 bezeichnet und enthält einen oberen oder Haupttintenbehälter 12, der durch Seitenwände 14 begrenzt ist, eine obere Abdeckplatte 16 und eine untere Wand 18. Die obere Wand oder Abdeckplatte 16 ist mit einer oberen Steckeinheit 17 als Einheit verbunden, wobei diese Gesamtheit als hermetischer Verschluß mit dem Schreiberrumpf 10 verbunden ist.
• Die untere Wand 18 des Schreibers 10 enthält einen Tintenflußkanal 22, der manchmal hier auch "Einlaß" genannt wird. Die Tinte läuft durch den Kanal oder Einlaß 22 und dann durch ein ausgewähltes poröses Material 24, bevor sie entweder in einen zweiten Behälter 26 oder durch einen Filter 29 in einen Trägerabschnitt für den Schreibkopf auf eine Art eintritt, die noch näher beschrieben wird. Der zweite oder untere Behälter 26 wird hier auch manchmal als das "Auffangbecken" bezeichnet und der Trägerabschnitt für den Schreibkopf 28 enthält nach oben stehende vertikale Seitenwände 30, die sich wie gezeigt bis zu einem direkten Kontakt mit dem porösen Material 24 erstrecken.
• Das poröse Material 24 ist vorzugsweise ein netzförmiger Zellulose-Schaumstoff und ist wie in Figur 2 gezeigt angeordnet, so dar sein rechter Teilbereich an eine vorstehende Schwelle 34 anstößt. Die Schwelle 34 erstreckt sich wie gezeigt von der unteren Oberfläche des Wandelementes 18 weg und in den zweiten Behälter bzw. das Auffangbecken 26 hinein. Diese Schwelle 34 komprimiert den ihr zunächst liegenden Teilbereich des Schaumstoffmaterials 24 etwas, wodurch dessen lokale Kapillarwirkung erhöht wird. Aber eine noch größere Kompresssion und damit eine größere Kapillarwirkung wird auf die linke Seite des Schaumstoffs 24 durch den Filter 29 aufgegeben, der sich ebenfalls in das Schaumstoffmaterial 24 hinein erstreckt und durch die senkrechten Wände 30 getragen wird. Ohne diesen Differenzdruck von einer Seite des Schaumstoffes 24 zur anderen würde Luft durch das Schaumstof fmaterial 24 hindurch und zu dem Filter 29 hingesaugt werden und der Tintenströmungspfad von dem Einlaß 22 zu dem Filter 29 würde unterbrochen werden.
• Ein Dünnfilmwiderstand (DFW)-Tintenstrahlkopf 36 ist wie gezeigt an der äußeren, nach unten zeigenden Oberfläche des Schreiberrumpfgehäuses angebracht und arbeitet so, daß er Tinte aus dem Schaumstoffmaterial 24 durch den Filter 29 hindurch aufnimmt. Die Tinte läuft dann durch einen zentralen Tintenspeisekanal 38 hindurch zu dem Dünnfilm- Schreibkopf 36 hin. Dieser Schreibkopf kann einer der vielen verschiedenen Typen sein, die allgemein in der Technik bekannt sind, wie jener, der ausführlicher im Hewlett- Packard Journal, Band 36, Nr.5, Mai 1985 beschrieben ist, das hier als Referenz beigefügt ist. Typischerweise befindet sich ein leitendes Spurmaterial (nicht gezeigt) auf dem Dünnfilmwiderstand-Schreibkopf 36, welches zu einer Mehrzahl von Widerstandsheizelementen führt und welches sich auch bis zu äußeren elektrischen Kontaktflächen auf dem DFW- Substrat erstreckt. Diese Kontaktflächen wiederum sind elektrisch mit einem flexiblen (FLEX) Schaltkreis oder mit einem "tape automated bond" (TAB)-Schaltkreis (nicht gezeigt) von der Art verbunden, die bequem an einer der äußeren Flächen einer Seitenwand der vertikalen Gehäusewand 14 befestigt werden kann. Eine solche Verbindung eines TAB- Schaltkreises kann zum Beispiel von der Art sein, die in dem US-Patent Nr. 4 635 073 offenbart und beansprucht wurde, das an Gary E. Hanson ausgegeben wurde, dem gegenwärtigen Anmelder übertragen wurde und hier als Referenz beigefügt ist. Der FLEX- oder TAB-Schaltkreis verbindet wiederum den DFW-Schreibkopf mit zusätzlichen externen Treiberschaltungen, sobald der Schreiber 10 in einer Druckschlitteneinheit (nicht gezeigt) eingebaut ist.
• Wenn der Schreibkopf 36 feuert, erzeugt er einen Sog in dem Tintenversorgungssystem in dem Schreiberrumpf 10. Tinte wird durch diesen Sog von dem Hauptversorgungsbehälter 12 aus dem Einlaßkanal 22 heraus, durch den Schaumstoff 24 und den Filter 29 hindurch und dann hinunter in das Standrohr, das durch die senkrechten Wände 30 gebildet wird, zu dem Schreibkopf hin gesaugt. Dieser Vorgang verringert den Druck in dem Haupttintenbehälter 12, der abgesehen von dem Einlaß 22 hermetisch abgeschlossen ist, und dementsprechend wird ein Differenzdruck über der Schwelle 34 und dem daran anschließenden Schaumstoff 24 erzeugt. Wenn zum ersten Mal ein Druckvorgang begonnen wird, bewegt sich unter der Wirkung des oben genannten Differenzdrucks Luft von rechts nach links über die Schwelle 34, wodurch Tinte aus Kapillarräumen entfernt wird, die zwischen dem Schaumstoffmaterial 24 und der Schwelle 34 vorhanden sind. Wenn diese Luft den Einlaß 22 erreicht, sammelt sie sich in Blasen an, die in den Hauptbehälter 12 aufsteigen und so teilweise den unteratmosphärischen Druck in dem Behälter 12 verringern.
• Die Bildung jeder Luftblase ist sehr abrupt, aber sie ist nicht instantan. Wenn die Luftblase klein ist, hat sie wenig Auftrieb und Oberflächenspannungskräfte halten die Blase entweder an dem Schaumstoffmaterial 24 oder dem festen Material, das den Einlaß 22 bildet. Fortgesetztes Wachstum der Blase kehrt jedoch die relativen Größen dieser Kräfte auf die Luftblase um und die Luftblase löst sich schließlich von dem Schaumstoff 24 und dem Einlaßmaterial und steigt in den Haupttintenbehälter 12 auf.
• Um den Gegendruck an dem Schreibkopf 36 in einem gewünschten Rahmen festzulegen, muß man eindeutig diese Blasenbildung verstehen. Insbesondere werden die Wahl des Schaumstoffmaterials, der Schaumstoffreinigungsprozesse, der lokalen Schaumstoffkompression, der Einlaßgeometrie, des Einlaßmaterials, der Oberfächenpolierung und der Oberflächenspannung der Tinte jeweils teilweise den nominellen Gegendruck des Schreibers festlegen. In der bevorzugten Ausgestaltung dieser Erfindung sind einige dieser Werte in der nachfolgenden Tabelle aufgeführt und stehen für den derzeit besten bekannten Modus für die Durchführung der Erfindung. Tabelle * Schaumstoffmaterial ... Kanebo Schwammblock, Marke T * Schaumstoffreinigung ... 20 mal in frisch entionisiertem Wasser komprimieren und loslassen. Zweimal wiederholen (insgesamt 60 Kompressionen). * Schaumstoffkompression in gedachter Achse (Gedachte Achse senkrecht zu den Ebenen des Filters und des Einlasses). . 50% am Filter 32% am Einlauf 0% am Auffangbecken (rechte Seite des Schaumstoffes) * Einlaßgeometrie ... Ovalförmiger Schlitz, 3,2mm (0,125 Zoll) Durchmesser x 9,9mm (0,388 Zoll) lang. * Einlaßmaterial ... ABS Kunstoff * Einlaßoberflächenpolitur ... Maschinell (ungefähr 3,3um (128 Microzoll) mittlerer quadratischer Fehler). * Oberflächenspannung der Tinte ... 0,062 N/m
• Der Gegendruck an dem Schreibkopf 36 ist im wesentlichen derselbe wie der Druck gerade oberhalb des Einlasses 22, abgesehen von der Änderung aufgrund der Höhe und geringeren Druckverlusten aufgrund von Tintenfluß durch den Schaumstoff 24 und den Filter 29. Zusätzlich bleibt der Differenzdruck längst der Schwelle 34 von der Umgebungsluft in dem zweiten Behälter 26 zu dem Einlaß 22 während der Lebensdauer des Schreibers 10 konstant. Wenn der Schreibkopf 36 aufhört zu drucken, entfernt sich die Grenzfläche Luft/Tinte in der Nachbarschaft der unteren Wand 18 sehr geringfügig von dem Einlaß 22 weg und in den Schaumstoff hinein. In Abwesenheit von Änderungen der Temperatur bleibt diese Grenzfläche in dieser Ruheposition, bis das Drucken wieder beginnt.
• Wenn die Temperatur in dem Haupttintenbehälter 12 ansteigt (oder der Umgebungsdruck fällt), wird Tinte nach unten aus dem Einlaß 22 durch die sich ausdehnende Luft herausgedrückt die diesen Temperaturanstieg (Druckänderung) begleitet. Wenn dies geschieht, macht die vorliegende Auslegung und Konstruktion des Schreibers 10 es für die Tinte einfacher, aus der eine geringe Kapillarwirkung besitzenden rechten Seite des Schaumstoffmaterials 24 herausgedrückt zu werden als aus den eine höhere Kapillarwirkung besitzenden Schreibkopfdüsen. An dieser Stelle wird der kapillare Zwischenraum zwischem dem Schaumstoff 24 und der Schwelle 34 wieder mit Tinte gefüllt.
• Wenn der Schreibkopf 36 während dieser Zeit weiter feuert, nimmt er mit einem sehr geringen Gegendruck Tinte aus dem zweiten Behälter 26 auf, bis die Tinte in dem zweiten Behälter 26 aufgebraucht ist. An dieser Stelle setzt wieder der normale Vorgang des Tintenflusses von dem Haupttintenbehälter 12 zu dem Schreibkopf 36 ein.
• Wenn stattdessen die Betriebstemperatur des Schreibers verringert wird, während sich Tinte im Auffangbecken befindet (oder der Umgebungsdruck steigt), ist es leichter für diese Tinte, in den Haupttintenbehälter zurückzukehren, als für Luft, längs der Schwelle 34 gesaugt zu werden und Luftblasen wie vorangehend beschrieben zu bilden. Dieser Vorgang erfolgt, weil keine Energie benötigt wird, um die Tinte in dem Auffangbecken in den gesättigten Schaumstoff zu bringen, während Energie nötig ist, um eine zusätzliche Grenzfläche zwischen Luft und Tinte zu bilden, wenn die Luft die Schwelle passiert und Blasen in der Tinte bildet. Daher führt der Schreiber 10 sich selbst wieder in seinen normalen Zustand zurück, wenn der Zustand mit erhöhter Temperatur (oder Druck) vorübergeht.
• Verschiedene Modifikationen können an der oben beschriebenen Ausgestaltung durchgeführt werden, ohne sich aus dem Bereich dieser Erfindung, wie er durch die beigefügten Ansprüche festgelegt wird, zu entfernen. Z.B. ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Verwendung in Tintenstrahlschreibern beschränkt und kann statt dessen in anderen Flüssigkeitszuleitungssystemen verwendet werden, bei denen die Notwendigkeit besteht, sich an Fluktuationen der Umgebungstemperatur und des Umgebungsdruckes in der oben beschriebenen Art anzupassen. Daher kann es für solche anderen verschiedenen Flüssigkeitszuleitungssysteme nötig sein, bestimmte Teilbereiche des Schreibers und des DFW-Schreibkopfs umzugestalten, um das Tropfenvolumen, die Tropfenemissionsfrequenz und das Flüssigkeitsbevorratungsvolumen zu ändern und um es an Änderungen der Viskosität der Flüssigkeit und dergleichen anzupassen.

Claims (4)

1. Flüssigkeitszuleitungssystem für einen Tintenstrahlschreibkopf, bei welchem eine Flüssigkeit aus einem ersten Behälter (12) herausgesaugt und durch eine Düsenplatte hindurch abgegeben wird, welches einen zweiten Behälter (26), der sich in der Nachbarschaft des ersten Behälters befindet, und ein poröses Flüssigkeitsübertragungselement (24), das sich zwischen dem ersten und zweiten Behälter, zwischen dem ersten Behälter und der Düsenplatte und zwischen dem zweiten Behälter und der Düsenplatte befindet, umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das System weiterhin eine Schwelle (34) umfaßt, welche sich in das Flüssigkeitsübertragungselement (24) hinein erstreckt, um dessen lokale Kapillarwirkung zu erhöhen, so daß ein Differenzdruck innerhalb des Flüssigkeitsübertragungselements erzeugt wird, wodurch Flüssigkeit in den zweiten Behälter hinein oder aus diesem heraus und von dem Flüssigkeitsübertragungselement weg bzw. zu diesem hin bei Änderungen der Temperatur und des Druckes der Flüssigkeit gesaugt werden kann.

2. Flüssigkeitszuleitungssystem nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Behälter (12, 26) durch eine gemeinsame Wand (18) begrenzt sind, die eine Öffnung enthält, um Flüssigkeit zu dem Flüssigkeitsübertragungselement (24) passieren zu lassen.

3. Flüssigkeitszuleitungssystem nach Anspruch 2, wobei die Schwelle (34) sich von der gemeinsamen Wand (18) weg erstreckt.

4. Flüssigkeitszuleitungssystem nach einem der vorrangehenden Ansprüche, wobei das Flüssigkeitsübertragungselement (24) ein poröses Schaumstoffmaterial ist.