DE4030053C2 - Anzeigeeinrichtung für den Zustand einer Schreibflüssigkeit in einem Vorratsbehälter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anzeigeeinrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus der internationalen Patentanmeldung WO 90/00974 (PCT/DE 88/00462) ist eine Vorratseinrichtung bekannt, die einen Vor­ ratsraum zur Aufnahme eines Aufzeichnungsmittels - beispielsweise einer Tinte - aufweist. Die Aufzeichnungsqualität ist in starkem Maße von der Qualität des Aufzeichnungsmittels abhängig. Die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Aufzeichnungsmittels ändern sich mit zunehmender Lagerdauer, so daß beim Überschreiten einer zulässigen Lagerdauer - beispielsweise durch Ausfallen einzelner Komponenten - keine zufriedenstellenden Aufzeichnungsergebnisse mehr erzielbar sind; aufgrund nicht mehr einwandfreier Aufzeichnungsmittel kann es zu Fehlfunktionen und Beschädigungen des Aufzeichnungsgerätes kommen. Bei der bekannten Vorratseinrichtung ist daher ein Zeitgeber in Form eines Zählers vorgesehen, dessen Zählstand der zulässigen Lagerzeit des Aufzeichnungsmittels entspricht. Der Zähler zählt fortlaufend abwärts und gibt nach seinem Ablauf eine von dem Aufzeichnungsgerät auswertbare Information ab.

Um von dem Aufzeichnungsgerät unabhängig zu sein, benötigt der Zähler bei der bekannten Vorratseinrichtung eine eigene Ener­ giequelle. Diese Energiequelle, der Zeitgeber und die einzelnen zu seinem Betrieb erforderlichen zusätzlichen Schaltungselemente verteuern die bekannte Vorratseinrichtung erheblich; dies ist insbesondere von Bedeutung, wenn die Vorratseinrichtung als Einwegartikel ausgebildet ist, der nach Erschöpfung des Auf­ zeichnungsmittelvorrates komplett ausgetauscht wird.

Bei der bekannten Vorratseinrichtung ist eine Erfassung der Lager- bzw. Umgebungstemperatur nicht möglich. Die Umge­ bungstemperatur, insbesondere eine kurzzeitige starke Erhöhung der Umgebungstemperatur, hat jedoch erheblichen Einfluß auf die physikalischen Eigenschaften und die chemische Zusammensetzung des Aufzeichnungsmittels; das Aufzeichnungsmittel kann daher durch Lagerung bei unzulässig hohen Temperaturen bereits lange vor Ablauf der zulässigen Lagerdauer unbrauchbar geworden sein.

Eine aus der DE-OS 30 48 426 bekannte Anzeigeeinrichtung der eingangs genannten Art enthält eine Substanz in Form eines Formlings, der in Abhängigkeit seiner Umgebungstemperatur und/oder seines Alters eine Eigenschaftsänderung erfährt. Die Eigenschafts­ änderung und damit der Zustand der Schreibflüssigkeit ist mit Hilfe einer Abfrageeinrichtung elektrisch, thermisch oder auch optoelektronisch überprüfbar. Das Ergebnis der Überprüfung kann mittelbar von dem Aufzeichnungsgerät visuell dargestellt werden. Der DE-OS 30 48 426 sind hinsichtlich der optoelek­ tronischen Überprüfung weitere Angaben nicht entnehmbar; in jedem Fall ist offenbar eine verhältnismäßig aufwendige Ab­ frageeinrichtung erforderlich. Die Abfrageeinrichtung erhöht den apparativen Aufwand zur Lebensdauerüberwachung des Auf­ zeichnungsmittels erheblich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anzeigeeinrichtung für den Zustand einer Schreibflüssigkeit in einem Vorratsbehälter zu schaffen, bei der mit einfachen Mitteln eine Unbrauchbarkeit der Schreibflüssigkeit durch Überschreiten einer zulässigen Lagerdauer und Lagertemperatur erkennbar ist.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

Unter Substanz ist im vorliegenden Fall ein Stoffgemisch zu ver­ stehen. Die irreversible Farbänderung bietet den Vorteil, daß auch vorübergehende kurzzeitige Überschreitungen der für die Schreibflüssigkeit höchstens zulässigen Umgebungs- bzw. Lager­ temperatur im nachhinein zuverlässig erkannt werden können. Mit Ablauf der zulässigen Lagerdauer setzt aufgrund der Alterung der Substanz ebenfalls eine irreversible Farbänderung ein, die vorzugsweise schrittweise erfolgt, so daß der Anwender einen Überblick über die noch zu erwartende Lebensdauer der Schreibflüssigkeit erhält. Die Farbänderung kann direkt von dem Anwender erkannt werden oder auch automatisch, beispielsweise bei der Prüfung von Lagerbeständen, erfaßt werden. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anzeige­ einrichtung besteht darin, daß die polymerisierbaren Monomere kostengünstig und einfach zu handhaben sind. Aus der Vielzahl bekannter polymerisierbarer Monomere sind in einfacher Weise hinsichtlich Art und Konzentration die Monomere auswählbar, die der jeweiligen Schreibflüssigkeit hinsichtlich ihres zeit- und temperaturabhängigen Alterungsverhaltens entsprechen und beim Erreichen eines bestimmten Polymerisationsgrades den Endfarbwert annehmen.

Eine besonders präzise Überwachung der Schreibflüssigkeit gelingt gemäß einer vorteilhaften Fortbildung der erfindungs­ gemäßen Anzeigeeinrichtung dadurch, daß die Substanz zu einem vorgebbaren Zeitpunkt, vorzugsweise nach dem Einbringen der Schreibflüssigkeit in den Vorratsbehälter, aktivierbar ist. Dadurch kann die Funktion der Anzeigeeinrichtung vorteilhafterweise auf kritische Phasen, beispielsweise auf die Lagerung und den Einsatz beim Endverbraucher, beschränkt werden, die sich der Überwachung des Herstellers entziehen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Fortbildung der erfindungs­ gemäßen Anzeigeeinrichtung sind die Monomere im kristallinen Festkörper-Zustand polymerisierbar. Die in einem Festkörper enthaltenen Monomere lassen sich besonders einfach handhaben und bilden bei fortschreitender temperatur- und zeitabhängiger Po­ lymerisation einen besonders intensiven Endfarbwert aus. Für diese Anwendung sind Acetylenmonomere besonders geeignet. Die Festkörperpolymerisation von Diacetylen-Monomere ist z. B. von G. Wegner in der "Zeitschrift für Naturforschung", Vol. 24b, Seiten 824 ff., ausführlich beschrieben. Insbesondere die Deri­ vate des 2,4-Hexadiin-1,6-diols sind besonders geeignet und präparativ besonders leicht herstellbar. Die in der kristallinen Struktur lösungsstabilen Diacetylen-Monomere gemäß Formel (I)

gehen bei Erwärmung oder Belichtung in Polymerisate gemäß der Formel (II)

über. Da die Monomere nur Licht im ultravioletten Bereich des Spektrums absorbieren, erscheinen sie für das menschliche Auge annähernd farblos. Mit fortschreitender Festkörperreaktion bilden sich jedoch Polymere mit einer mehrfach konjugierten Hauptkette, deren delokalisierte Elektronen Licht im sichtbaren Bereich des Spektrums absorbieren. Dadurch erscheint das Polymer für das menschliche Auge farbig. Wie in dem oben zitierten Aufsatz von G. Wegner ausführlich beschrieben wird, ist durch geeignete Wahl der Substituenten R die temperatur- und zeitabhängige Reaktivität der Monomere und die Endfarbe der gebildeten Polymere in weiten Bereichen einstellbar. Wird bei­ spielsweise ein Dibenzoat nach der Formel (III)

erzeugt, ist eine Substanz gebildet, die eine äußerst langsame Polymerisationsgeschwindigkeit aufweist. Wird bei­ spielsweise aus Dialkohol durch Umsetzen mit Phenylisocyanat das gut kristallierende 2,4-Hexadiin-1,6-diol-bis-phenylurethan hergestellt, ist eine verhältnismäßig schnell polymerisierende Substanz geschaffen, mit der insbesondere eine Überschreitung der zulässigen höchsten Umgebungstemperatur schnell und zuverlässig angezeigt wird. Zur Bildung einer geeigneten Anzeigeeinrichtung, die einerseits kurzzeitige Temperaturüber­ schreitungen und andererseits langfristige Einflüsse (Lebensdauer) anzeigt, können geeignete - z. B. die beiden vorgenannten - Substanzen kombiniert werden.

Eine weitere vorteilhafte Fortbildung der erfindungsgemäßen Anzeigeeinrichtung besteht darin, daß die Monomere in einem erstarrten Lösungsmittel teilweise polymerisiert sind und daß der Schmelzpunkt des Lösungsmittels annähernd auf die höchstens zulässige Umgebungstemperatur der Schreibflüssigkeit abgestimmt ist. Die Monomere in dem erstarrten Lösungsmittel können beispielsweise durch Bestrahlen mit einer energiereichen Strahlung teilweise vorpolymerisiert sein und damit einen Anfangsfarbwert aufweisen. Beim Überschreiten der höchstens zulässigen Umgebungstemperatur schmilzt das Lösungsmittel und entfernt die verbliebenen Monomere von den Polymeren. Durch die damit veränderte physikalische Struktur der Polymere wird eine schlagartige Farbänderung auf den Endfarbwert ausgelöst. Solange das Lösungsmittel im Festkörper-Zustand verbleibt, erfolgt eine weitere Polymerisation und damit das Erreichen des Farbendwertes in Abhängigkeit von Zeit und Temperatur.

Beispielsweise sind zur derartigen Ausführung der Erfindung die unter der Bezeichnung
5,28-Dioxa-3,30-diaza-15,17-dotriacontadiindionsäure, 4,29-dioxodibutyl-ester oder
10,12-Docosadiin-1,22-bis-n-butoxycarbonyl-methylen-urethan (9BCMU)
bekannten Acetylen-Monomere der Formel (IV) besonders geeignet.

Diese werden vorzugsweise als Indikatoren mit 10 Gew.-% in Eisessig gelöst und nach Verfestigung des Lösungsmittels durch Abkühlen mit energiereicher Strahlung (z. B. UV-Licht) zur teil­ weisen Polymerisation bestrahlt.

Mit der Anzahl der Methylengruppen in den Haupt- und/oder Seitenketten erhöht sich die Temperatur, bei der eine voll­ ständige irreversible Farbänderung zum Endfarbwert erfolgt. Damit ist in vorteilhafter Weise die Möglichkeit gegeben, durch Bildung von Diacetylenurethan-Monomeren mit einer entspre­ chenden Anzahl von Methylen-Gruppen die Anzeigeeinrichtung auf die jeweils höchstens zulässige Temperatur für verschiedene Schreibflüssigkeiten abzustimmen.

Eine weitere vorteilhafte Fortbildung der erfindungsgemäßen Anzeigeeinrichtung besteht darin, daß sich der Vorratsbehälter nach dem Einbringen der Schreibflüssigkeit unter inerter Atmosphäre in einer temperaturstabilisierenden Schutz­ verpackung befindet und daß mit Entnahme des Vorratsbehälters aus der Schutzverpackung die Aktivierung der Anzeige­ einrichtung erfolgt. Damit wird in vorteilhafter Weise die An­ zeigeeinrichtung erst unmittelbar vor bestimmungsgemäßer Inbetrieb­ nahme des Vorratsbehälters aktiviert. Da der Vorratsbehälter zuvor in inerter Atmosphäre und temperaturstabilisiert in der Schutzverpackung gelagert wird - üblicherweise unter von dem Hersteller oder Vertriebsorganisationen überwachten Lager­ bedingungen -, kann die Überwachung der Schreibflüssigkeit auf Alterung und Lagerungstemperatur auf den kritischen Zeit­ raum bei dem Endverbraucher beschränkt werden. In diesem Fall ist eine besonders genaue Abstimmung der Anzeigeeinrichtung auf das zeit- und temperaturabhängige Verhalten der Schreibflüssigkeit während des betriebsgemäßen Einsatzes des Vorratsbehälters möglich.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben; es zeigt

Fig. 1 schematisch den Aufbau einer Vorratseinrichtung,

Fig. 2 qualitativ bei einer Substanz den Zusammenhang zwischen Lagertemperatur und Lagerdauer bis zum Erreichen eines Endfarbwertes einer irreversiblen Farbänderung, und die

Fig. 3A und 3B chemische Strukturformeln von polymerisier­ baren Monomeren.

Fig. 1 zeigt eine Vorratseinrichtung 1, die in ein nicht dargestelltes Aufzeichnungsgerät einsetzbar ist. Mit der Vor­ ratseinrichtung 1 ist ein Tintenstrahldruckkopf 2 mit einer Vielzahl von Tintenaustrittsdüsen 3 fest verbunden. Die Vor­ ratseinrichtung 1 enthält einen Vorratsbehälter 4, der durch aus Darstellungsgründen in eine Seitenwand und in die Vorder­ wand eingezeichnete Ausbrüche 5a und 5b sichtbar ist. Der Vorratsbehälter 4 ist mit einem schaumartigen Material 6 ausge­ füllt, dessen Poren mit einer Tinte 7 als Schreibflüssigkeit gefüllt sind. Die Tinte 7 gelangt über eine nicht näher ge­ zeigte Zuführleitung und einen Durchtritt 8 des Tintenstrahl­ druckkopfes 2 in den Bereich der Tintenaustrittsdüsen 3. Jeder Tintenaustrittsdüse 3 ist ein Antriebselement zugeordnet, das bei bedarfsweiser Aktivierung den Austritt eines Tinten­ tröpfchens 9 aus der jeweils zugeordneten Tintenaustrittsdüse 3 bewirkt. An ihrer Stirnseite weist die Vorratseinrichtung 1 Kontaktierungselemente 10 zur elektrischen Ansteuerung des Tintenstrahldruckkopfes 2 auf. Auf der Oberseite der Vorrats­ einrichtung 1 ist eine Anzeigeeinrichtung 11 ausgebildet. Die Anzeigeeinrichtung 11 enthält eine Substanz 12, die in Abhängig­ keit ihrer Umgebungstemperatur und ihres Alters eine irreversible Farbänderung von einem Ausgangsfarbwert zu einem Endfarbwert ausführt. Um die Beurteilung des Zustandes der Tinte 7 zu erleichtern, sind beidseitig neben der Anzeigeein­ richtung 11 Referenzfarbflächen 13 und 14 angeordnet, wobei die Referenzfarbfläche 13 den Endfarbwert 15 und die Referenz­ farbfläche 14 den Ausgangsfarbwert 16 darstellt. Die Substanz 12 führt eine Farbänderung aufgrund physikalischer und/oder chemischer Prozesse aus, wobei die Prozeßgeschwindigkeit erheblich von der Umgebungstemperatur bestimmt ist.

Fig. 2 zeigt schematisch den Zusammenhang zwischen der Lager­ temperatur T in °C und dem (aktiven) Alter der Substanz 12 in Tagen. Unter aktivem Alter ist die Zeit zu verstehen, die seit Aktivierung, d. h. seitdem die Anzeigeeinrichtung bzw. Substanz aktiviert und der Umgebung ausgesetzt worden ist, vergangen ist. Vorzugsweise erfolgt die Aktivierung, nachdem die Tinte 7 in den Vorratsbehälter 4 eingebracht ist.

Die Vorratseinrichtung 1 (Fig. 1) befindet sich nach dem Einbringen der Tinte 7 zunächst in einer nur andeutungsweise dargestellten temperaturstabilisierenden Schutzverpackung 20, die gegenüber der Außenwelt hermetisch verschlossen ist und in der eine inerte Atmosphäre (beispielsweise durch Einbringen von reinem Stickstoff) herrscht. Bei Entnahme der Vorratseinrichtung 1 aus der Schutzverpackung 20 wird die Anzeigeeinrichtung 11 dadurch aktiviert, daß sie nunmehr den Umgebungseinflüssen (Licht/Wärme) ausgesetzt ist. Damit beginnt die Überwachung der Qualität der Tinte 7 durch die Anzeigeeinrichtung 11 erst in der besonders kritischen Betriebsphase beim Endverbraucher. Die Anzeigeeinrichtung 11 kann auch durch eine Klebefolie bedeckt sein, die mit der Schutzverpackung 20 mechanisch verbunden ist, so daß bei Entnahme der Vorratseinrichtung 1 die Klebefolie gleichzeitig abgezogen und die Anzeigeeinrichtung 11 der Umgebung ausgesetzt wird.

Die Substanz 12 kann als Gemisch auch Diacetylen-Monomere der allgemeinen in der Fig. 3A dargestellten Form enthalten. In Abhängigkeit von der Zeit und der ihnen zugeführten (Wärme) Energie bilden die Monomere durch 1,4-Addition Polymere mit hochkonjugierten Hauptketten. Die Farbe der auf diese Weise gebildeten Polymerketten ist durch die ungesättigte Hauptkette bestimmt. Die Reste R1 und R2 können beispielsweise von Alkylen (C_nH_2n+1), Arylen (z. B. Phenyl C₆H₅-) oder Urethanen gebildet sein.

Besonders geeignet sind Acetylenurethane mit der in der Fig. 3B angegebenen Strukturformel. Die Reste R′ können beide oder jeweils von Alkyl, Alkalimetallsalzen von sauren Alkylen oder Alryl gebildet sein. Besonders geeignet sind Butoxycarbonylmethylen-Urethane (BCMU), beispielsweise das 10,12-Docosadiyn-1,22-bis-n-butoxycarbonylmethylen-Urethan gemäß Formel (IV).

Acetylen-Monomere sind im kristallinen Festkörper-Zustand polymerisierbar und grundsätzlich farblos; durch Wahl der Rest­ gruppen R1 und R2 (Fig. 3A) bzw. R′ und R′′ (Fig. 38) können die Monomere jedoch mit einer Ausgangsfarbe versehen werden.

Hinsichtlich der Erkennbarkeit von Übertretungen der zulässigen Umgebungstemperatur können die Acetylen-Monomere in einem erstarrten Lösungsmittel gelöst werden und durch Bestrahlung mit ultraviolettem Licht teilweise polymerisiert werden. Der Schmelzpunkt des Lösungsmittels wird annähernd auf die höch­ stens zulässige Umgebungstemperatur für die Schreibflüssigkeit abgestimmt; bei Überschreiten dieser Temperatur löst das Lö­ sungsmittel die nicht polymerisierten Monomere von dem Poly­ merisat. Damit ist eine schlagartige irreversible Farbänderung zu einem Endwert gewährleistet, selbst wenn die Umgebungs­ temperatur anschließend wieder in den zulässigen Normalbereich zurückgeht.

Da die Anzeigeeinrichtung 11 in der Geschwindigkeit und in der Intensität ihrer Farbänderung sowohl von der Reaktionszeit als auch der Tempertur abhängig ist, ist bei der Vorratseinrichtung 1 eine Überwachung der Schreibflüssigkeit unter Berücksichtigung beider die Brauchbarkeit bzw. Un­ brauchbarkeit der Schreibflüssigkeit bestimmender Parameter (Alter und Temperatur) mit einfachen Mitteln ermöglicht. Sobald die Anzeigeeinrichtung den Endfarbwert erreicht hat, ist dem Be­ nutzer signalisiert, daß die Vorratseinrichtung 1 auszutauschen ist. Das Erkennen des Endfarbwertes kann auch automatisch mit Hilfe einer optischen Einrichtung erfolgen, die den aktuellen Farbwert der Anzeigeeinrichtung mit einem Referenzwert vergleicht.

Claims (7)

1. Anzeigeeinrichtung für den Zustand einer Schreibflüssigkeit in einem Vorratsbehälter für ein Aufzeichnungsgerät mit einer Substanz, die in Abhängigkeit ihrer Umgebungstemperatur und ihres Alters eine optisch überprüfbare Eigenschaftsänderung erfährt, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanz (12) verhältnismäßig langsam polymeri­ sierende Monomere zur Anzeige langfristiger Temperaturbedingungen und schnell polymerisierende Monomere zur Anzeige kurzfristiger Temperaturüberhöhungen enthält und daß die Eigenschaftsänderung in einer der Polymerisation der Monomeren entsprechenden irreversiblen Farbänderung von einem Ausgangsfarbwert (16) zu einem Endfarbwert (15) besteht.

2. Anzeigeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanz (12) zu einem vorgebbaren Zeitpunkt, vorzugsweise nach dem Einbringen der Schreibflüssigkeit (7) in den Vorratsbehälter (4), aktivierbar ist.

3. Anzeigeeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Monomere im kristallinen Festkörper-Zustand polymerisierbar sind.

4. Anzeigeeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Monomere in einem erstarrten Lösungsmittel teilweise polymerisiert sind und daß der Schmelzpunkt des Lösungsmittels annähernd auf die höchstens zulässige Umgebungstemperatur der Schreibflüssigkeit (7) abgestimmt ist.

5. Anzeigeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Monomere Acetylenmonomere sind.

6. Anzeigeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Monomere Derivate des 2,4-Hexadiin-1,6-diols sind.

7. Anzeigeeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine Vorratseinrichtung (1) mit dem Vorratsbehälter (4) nach dem Einbringen der Schreibflüssigkeit (7) unter inerter Atmosphäre in einer temperaturstabilisierenden Schutzverpackung (20) befindet und daß mit Entnahme der Vorratseinrichtung (1) aus der Schutzverpackung (20) die Aktivierung der Substanz (12) erfolgt.