DE68908378T2

DE68908378T2 - Verfahren und Gerät zur Erweiterung des Funktionsbereiches einer Tintenstrahldruckpatrone in der Umgebung.

Info

Publication number: DE68908378T2
Application number: DE89313319T
Authority: DE
Inventors: John H Dion; Thomas H Winslow
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1988-12-22
Filing date: 1989-12-20
Publication date: 1994-03-24
Anticipated expiration: 2009-12-21
Also published as: KR0141518B1; HK48795A; EP0375383A1; SG28334G; DE68908378D1; JP2957617B2; KR900009287A; US4992802A; CA1323243C; JPH02258353A; EP0375383B1; DE68908378T4

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Tintenstrahldrucksysteme und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausdehnen des Umgebungs-Betriebsbereichs von solchen Systemen.
Tintenstrahldrucker sind wegen ihrer leisen und schnellen Arbeitsweise und ihrer hohen Druckqualität auf einfachem Papier sehr populär geworden. Eine Vielzahl von Tintenstrahldruckverfahren sind entwickelt worden.
Bei einem Tintenstrahldruckverfahren, welches als kontinuierliches Strahldrucken bezeichnet wird, wird Tinte unter Druck Düsen in einem Druckkopf zugeführt, um kontinuierliche Tintenstrahlen zu erzeugen. Jeder Strahl wird durch Vibration in einen Strom von Tröpfchen aufgeteilt, welche geladen und elektrostatisch entweder zu einem Druckmedium oder zu einem Sammelabfluß für eine nachfolgende Rezirkulation abgelenkt werden. US-Patent-Nr. 3 596 275 ist ein Beispiel dieses Verfahrens.
Bei einem anderen Tintenstrahldruckverfahren, welches elektrostatisches Ziehverfahren (electrostatic pull printing) genannt wird, steht die Tinte in den Druckdüsen nicht unter Druck oder unter einem geringen Unterdruck und wird elektrostatisch zu einem Strom von Tröpfchen gezogen. Die Tröpfchen fliegen zwischen zwei Paaren von Ablenkungselektroden, welche so angeordnet sind, daß sie die Flugrichtung der Tröpfchen und ihre Ablagerung auf gewünschten Positionen auf dem Druckmedium steuern. US-Patent-Nr. 3 060 429 ist ein Beispiel dieses Verfahrens.
Eine dritte Klasse von Verfahren, welche verbreiteter als die vorangehenden sind, ist als "Tropfen nach Bedarf"-Drucken (drop-on-demand printing) bekannt. Bei diesem Verfahren wird Tinte in dem Schreiber unterhalb des Umgebungsdrucks gehalten und durch einen Tropfenerzeuger nach Bedarf jeweils in Form eines Tropfens ausgeworfen. Zwei prinzipielle Auswurfmechanismen werden verwendet: thermische Blasen und piezoelektrische Druckwellen. Bei Systemen mit thermischen Blasen wird ein Dünnschichtwiderstand in dem Tropfenerzeuger geheizt und verursacht ein plötzliches Verdampfen eines kleinen Teils der Tinte. Der sich rasch ausdehnende Tintendampf verdrängt Tinte aus der Düse und verursacht das Auswerfen eines Tropfens. Das US-Patent 4 490 728 ist ein Beispiel eines solchen "Tropfen nach Bedarf"-Systems mit thermischen Blasen.
Bei piezoelektrischen Druckwellensystemen wird ein piezoelektrisches Bauteil verwendet, um ein Tintenvolumen in dem Tropfenerzeuger abrupt zu komprimieren, wodurch eine Druckwelle erzeugt wird, welche das Auswerfen eines Tropfens an der Düse verursacht. Das US-Patent 3 832 579 ist ein Beispiel eines piezoelektrischen Druckwellen-"Tropfen nach Bedarf"-Systems.
Die "Tropfen nach Bedarf"-Verfahren erfordern, daß unter Ruhebedingungen der Druck in dem Tintenreservoir unterhalb des Umgebungsdrucks liegt, so daß Tinte in dem Schreiber zurückgehalten wird, bis sie ausgeworfen werden soll. Das Ausmaß dieses Unterdrucks (oder des "teilweisen Vakuums") ist kritisch. Wenn der Unterdruck zu klein ist oder wenn der Druck in dem Reservoir positiv ist, neigt Tinte dazu, durch die Tropfenerzeuger zu entweichen. Wenn der Unterdruck zu groß ist, kann Luft durch die Tropfenerzeuger unter Ruhebedingungen eingesaugt werden. (Luft wird normalerweise nicht durch die Tropfenerzeuger eingesaugt, weil die Tropfenerzeuger Kapillarröhren enthalten, welche in der Lage sind, Tinte gegen den Unterdruck des Reservoirs aufzuziehen.)
Der Unterdruck, welcher bei "Tropfen nach Bedarf"-Systemen erforderlich ist, kann auf eine Reihe von Weisen erreicht werden. In einem System wird der Unterdruck durch Gravitation erreicht, indem das Tintenreservoir so abgesenkt wird, daß die Oberfläche der Tinte leicht unterhalb der Höhe der Düsen liegt. Eine solche Anordnung des Tintenreservoirs wird jedoch nicht immer auf einfache Weise erreicht und legt der Auslegung des Druckkopfs starke Einschränkungen auf. Ein Beispiel dieses Gravitations-Unterdruckverfahrens ist das US-Patent 3 452 361.
Alternative Verfahren zum Erreichen des erforderlichen Unterdrucks sind in dem US-Patent 4 509 062 und in der ebenfalls anhängigen, am 28. Oktober 1987 eingereichten Anmeldung mit der Seriennummer K 975 07/115 013 gezeigt, welche beide auf die Anmelderin übertragen wurden. Bei dem erstgenannten Patent wird der Unterdruck erreicht, indem ein blasenartiges Tintenreservoir verwendet wird, welches zusehends zusammenschrumpft, wenn Tinte aus ihm herausgezogen wird. Die Rückstellkraft der elastischen Blase hält den Druck der Tinte in dem Reservoir leicht unterhalb des Umgebungsdrucks. Bei dem System, das in der letzteren Patentanmeldung offenbart ist, wird der Unterdruck erreicht, indem eine kapillare Entlüftungsröhre für das Reservoir verwendet wird, welche in die Tinte in dem Tintenreservoir an einem Ende eingetaucht ist und mit einem Überström- Auffangbecken an dem anderen Ende verbunden ist, welches zu dem Umgebungsdruck offen ist. Die kapillare Anziehung der Tinte von dem Reservoir weg erzeugt einen geringen Unterdruck in dem Reservoir. Dieser Unterdruck wächst, wenn Tinte von dem Reservoir ausgeworfen wird. Wenn der Unterdruck einen Schwellenwert erreicht, saugt er ein kleines Luftvolumen durch die Kapillarröhre in das Reservoir ein, wodurch verhindert wird, dar der Unterdruck den Schwellenwert überschreitet.
Während die vorangehenden zwei Verfahren zum Aufrechterhalten des Tintendrucks unterhalb des Umgebungsdrucks sich in vielerlei Hinsicht als in hohem Maße zufriedenstellend und einzigartig herausgestellt haben, haben sie dennoch bestimmte Nachteile. Das Blasensystem ist z.B. nicht so volumetrisch effizient, wie es gewünscht wäre. Um die Veränderlichkeit des Unterdrucks als Funktion des Volumens des Reservoirs zu minimieren, hat die Blase vorzugsweise eine abgerundete Form. Die beste volumetrische Effizienz wird jedoch erreicht, wenn die Blase eine rechteckige Form hat. (Auch mit einer abgerundeten Form ist der Unterdruck immer noch eine Funktion des Stadiums des Zusammenziehens der Blase und wächst schließlich bis zu dem Punkt an, an dem keine Tinte mehr herausgezogen werden kann, auch wenn die Tinte in dem Reservoir nicht aufgebraucht ist.)
Das Kapillarsystem leidet bei Schwankungen der Umgebung. Wenn die Umgebungstemperatur wächst oder wenn der Umgebungsdruck abfällt, dehnt sich die Luft, welche innerhalb des Tintenreservoirs eingeschlossen ist, aus. Diese Ausdehnung treibt Tinte von dem Reservoir aus den Düsen des Druckkopfs heraus, wo sie in Kontakt mit dem Benutzer kommen kann.
Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Tintenstrahl-Tintenreservoir zu schaffen, welches diese Nachteile des Stands der Technik überwindet.
Es ist eine speziellere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Druck- und Temperaturbereich auszudehnen, über den ein volumetrisch effizientes Tintenstrahl-Tintenreservoir ohne Lecken arbeiten kann.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Tintenstrahldruckkopf mit einen Tintenreservoir geschaffen, welches zwei Teile hat: einen Teil mit festem Volumen und einen Teil mit variablem Volumen. Der Teil mit festem Volumen kann eine starre Kammer sein. Der Teil variablem Volumen kann eine elastische Blase in einer Wand der starren Kammer sein.
Aus Gründen der volumetrischen Effizienz ist der Teil mit festem Volumen vorzugsweise größer als der Teil mit variablem Volumen.
Unterhalb des Reservoirs liegt ein Auffangbecken, welches bei Umgebungsdruck betrieben wird und in welches Tinte durch Druck aus dem Reservoir über eine kleine Kopplungsöffnung getrieben werden kann. Die Kopplungsöffnung hat sowohl die Funktion, Tinte aus dem Reservoir in das Auffangbecken zu leiten, als auch ein Fluid (Tinte oder Luft) aus dem Auffangbecken zurück in das Reservoir zu leiten, je nach dem Differenzdruck. (Aufgrund ihrer gelegentlichen Funktion, Luft in das Reservoir einzuführen, wird die Öffnung manchmal als "Blasenerzeuger" bezeichnet).
Bei normalem Betrieb veranlaßt das teilweise Vakuum, welches in dem Reservoir zurückbleibt, zuerst, daß der elastische Blasenteil des Reservoirs schrumpft, wenn Tinte aus den Druckdüsen ausgeworfen wird. Nachdem eine bestimmte Menge an Tinte aus dem Reservoir ausgeworfen worden ist, erreicht der Unterdruck einen Punkt, an dem er Luft in das Reservoir aus dem Auffangbecken über die kleine Blasenerzeuger-Öffnung ansaugt. Diese Öffnung ist so bemessen, daß diese Blasenerzeugungswirkung bei einem gewünschten Unterdruck beginnt, -1,25 KPa (5 inch Wasser) bei der dargestellten Ausführungsform. Danach wird, wenn das Drucken fortschreitet, der zusätzliche Unterdruck, welcher durch das fortgesetzte Auswerfen von Tinte hervorgerufen wird, durch das Einführen eines entsprechenden Luftvolumens durch die Blasenerzeuger-Öffnung reguliert.
Wenn die Umgebungstemperatur ansteigt und die Luft in dem Re servoir veranlaßt, sich auszudehnen (oder wenn der Umgebungsdruck, mit einer ähnlichen Folge, abnimmt), beginnt die Blase, sich zurückzubilden und sich zu ihrem nicht geschrumpften Zustand hin auszudehnen, so daß sie das zusätzliche Reservoirvolumen enthält. Dabei übt die Blase weiterhin die rückstellende Kraft der Blase auf die Tinte aus, wodurch der Druck in dem Reservoir unterhalb des Umgebungsdrucks gehalten wird, um die Tinte in dem Schreiber zu halten.
Bei dem vorangehenden Fall einer ansteigenden Temperatur (oder eines abnehmenden Umgebungsdrucks) hält die rückstellende Kraft der Blase das Reservoir weiterhin auf einem Druck geringfügig unterhalb des Umgebungsdrucks, bis das Volumen des Reservoirs so angewachsen ist, daß die Blase vollständig aufgeblasen ist. An diesem Punkt kann die Blase nicht länger als volumetrischer Speicher dienen und Tinte wird gezwungen, durch die Blasenerzeuger-Öffnung in das Auffangbecken zu fließen. (Tinte wird nicht durch die Öffnungen der Druckdüsen herausgetrieben, weil diese Öffnungen wesentlich kleiner als die Blasenerzeuger-Öffnung sind. Dementsprechend erfordern sie einen höheren Reservoirdruck, um Tinte durch sie hindurchzutreiben. Dieser höhere Druck wird im allgemeinen nie erreicht, weil die Blasenerzeuger-Öffnung dahin wirkt, den Reservoirdruck abzulassen, bevor der höhere Druck erreicht werden kann.)
Wenn danach die Umgebungstemperatur fällt und den Luftdruck in dem Reservoir veranlaßt, abzunehmen (oder wenn der Umgebungsdruck steigt oder wenn Tinte aus dem Reservoir durch Drucken ausgeworfen wird, was alles eine ähnliche Wirkung hat), wird Tinte aus dem Auffangbecken durch den Differenzdruck herausgezogen, bis sie aufgebraucht ist. Danach schrumpft die Blase, bis der Unterdruck in dem Reservoir ausreicht, um Luft durch die Öffnung aus dem Auffangbecken wie oben beschrieben zu ziehen.
Während sich die vorangehende Beschreibung auf eine sehr spezielle Ausführungsform eines Tintenstrahlschreibers gemäß der vorliegenden Erfindung konzentriert hat, kann die Erfindung allgemeiner so beschrieben werden, daß sie enthält:
a) ein Tintenreservoir,
b) einen Druckkopf, um Tinte aus dem Reservoir auszuwerfen und dadurch einen Unterdruck darin zurückzulassen,
c) eine erste Drucksteuereinrichtung zum Begrenzen des Unterdrucks in dem Tintenreservoir durch gesteuertes Einführen eines Verdrängungsfluids (z.B. Luft oder Tinte) in dieses hinein, und
d) eine zweite Drucksteuereinrichtung zum Begrenzen des Unterdrucks in dem Tintenreservoir, indem dessen Volumen geändert wird.
Die vorangehenden und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung deutlicher, welche mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen vonstatten geht.
Fig. 1 ist eine seitliche Schnittansicht eines Tintenstrahl-Druckkopfs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 ist eine geschnittene Vorderansicht des Druckkopfs der Fig. 1.
Fig. 2A ist ein vergrößerter Ausschnitt, welcher eine Blasenerzeuger-Öffnung in dem Druckkopf der Fig. 2 zeigt.
Fig. 3 ist ein Diagramm, welches den Unterdruck des Tintenreservoirs als Funktion des ausgeworfenen Tintenvolumens für den Druckkopf der Fig. 1 und 2 darstellt.
Fig. 4 ist eine geschnittene Seitenansicht eines Tintenstrahl-Druckkopfs gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 5 ist eine geschnittene Seitenansicht eines Tintenstrahl-Druckkopfs gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 6 ist eine geschnittene Seitenansicht eines Tintenstrahl-Druckkopfs gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bezugnehmend auf Fig. 1 und 2 enthält ein Tintenstrahl-Druckkopf 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Tintenreservoir 12 mit zwei Teilen. Der erste Teil 14 besitzt ein festes Volumen und wird durch starre Wände 16, 18, 20, 22, 24 usw. gebildet. Der zweite Teil 26 hat ein variables Volumen und umfaßt eine elastische Blase 27, welche hinter einer Öffnung in einer der starren Wände angebracht ist.
Von dem Abschnitt 14 mit festem Volumen erstreckt sich ein Schacht 28 mit einem Druckkopf 30 an seinem unteren Ende nach unten. Tinte von dem Reservoir 12 wird durch einen Filter 32 in den Druckkopf 30 gezogen, von welchem sie zu dem Druckmedium hin durch einen thermischen oder piezoelektrischen Effekt ausgeworfen wird, was auf diesem Gebiet wohlbekannt ist.
Ebenfalls in dem unteren Teil des Schachts 28 befindet sich eine kleine Öffnung 36 (Fig. 2), welche das Tintenreservoir 12 mit einem Auffangbecken 38 verbindet, welches sich am unteren Ende der Anordnung befindet. Die Öffnung 36 dient sowohl dem Zweck, es Tinte zu gestatten, von dem Reservoir 12 in das Auffangbecken 38 zu fließen, als auch dem Zweck, es einem Fluid (Luft oder Tinte) zu gestatten, von dem Auffangbecken in das Reservoir zu fließen, je nach der Druckdifferenz zwischen den zwei Bereichen. (Wie früher bemerkt, wird diese Öffnung 36 manchmal als Blasenerzeuger-Öffnung wegen ihrer gelegentlichen Rolle beim Einführen von Luftblasen in das Reservoir genannt.) Die Größe der Blasenerzeuger-Öffnung 36 ist so gewählt, daß sie größer als die Größe der Öffnungen der Druckdüsen ist, so daß unter Überdruckbedingungen Tinte vorzugsweise aus der Blasenerzeuger-Öffnung 36 statt aus den Druckdüsen herausfließt. Die Blasenerzeuger-Öffnung 36 ist jedoch klein genug, daß die Oberflächenspannung der Tinte sie daran hindert, durch Gravitationskraft durch sie hindurch getrieben zu werden - es muß ein antreibendes Druckdifferential vorhanden sein. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Durchmesser der Blasenerzeuger-Öffnung - 0,198 mm (0,078 inch) und der Durchmesser der Druckdüse ist 0,051 mm (0,0020 inch). Das Auffangbecken 38, zu welchem die Blasenerzeuger-Öffnung 36 führt, wird zu dem Umgebungsdruck durch eine Druckausgleichsöffnung 40 entlüftet, welche sich in der oberen Seitenwand des Auffangbekkens unterhalb der Plattform 24 befindet, in welcher die Blase 26 montiert ist.
Im Betrieb wird das Reservoir 12 anfänglich mit Tinte durch eine Öffnung 42 gefüllt, welche danach mit einem Stopfen 44 abgedichtet wird. Wenn der Schreiber zum ersten Mal druckt, läßt Tinte, welche aus dem Druckkopf ausgeworfen wird, ein entsprechendes teilweises Vakuum oder Unterdruck in dem Reservoir 12 zurück, welches veranlaßt, daß die elastische Blase 27 zu schrumpfen beginnt. Das Schrumpfen der Blase verringert das Volumen des Reservoirs und verringert so die Rate, mit welcher sich der Unterdruck bei fortgesetztem Auswerfen von Tinte aufbaut.
Trotz der abschwächenden Wirkung der Blase auf den Druck des Reservoirs wächst der Unterdruck dennoch weiterhin mit fortgesetztem Auswerfen von Tinte an. Dieses Anwachsen setzt sich fort, bis das Druckdifferential zwischen dem Tintenreservoir 12 und dem entlüfteten Auffangbecken 38 ausreicht, um eine Luftblase durch die Blasenerzeuger-Öffnung 36 in das Reservoir zu ziehen. Diese Luftblase ersetzt ein Tintenvolumen, welches aus dem Reservoir ausgeworfen worden ist und verringert daher einen Teil des Unterdrucks in dem Reservoir. Danach wird fortgesetztes Auswerfen von Tinte die Blase 27 nicht weiter schrumpfen lassen, sondern zusätzliche Luftblasen durch den Blasenerzeuger 36 hereinziehen. Der Blasenerzeuger wirkt so als ein Druckregulator, welcher in kontrollierter Weise Luft in das Reservoir einführt, so daß der Reservoirdruck daran gehindert wird, vollständig den Umgebungsdruck zu erreichen.
Fig. 3 ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen dem Unterdruck des Reservoirs und dem ausgeworfenen Tintenvolumen darstellt. Bevor irgendwelche Tinte aus dem Reservoir ausgeworfen wird, kann sich das Reservoir auf einem leichten Unterdruck befinden, weil die rückstellende Kraft der elastischen Blase an der Tinte in dem Reservoir zieht. Wenn das Drucken beginnt, baut sich der Unterdruck langsam auf, wenn sich die Blase zusammenzieht, wie es durch die durchgezogene Kurve gezeigt ist. (Wenn es keine elastische Blase gäbe, um den Unterdruck abzuschwächen, würde er wesentlich stärker ansteigen, wie es durch die gestrichelte Kurve gezeigt ist, welche mit A bezeichnet ist.)
Wenn das ausgeworfene Tintenvolumen wächst wird die Kurve aufgrund des nichtlinearen Verhaltens der Blase, wenn sie sich beim Schrumpfen zusammenfaltet, etwas irregulär. An dem mit B bezeichneten Punkt reicht der Unterdruck aus, um damit zu beginnen, Blasen durch die Blasenerzeuger-Öffnung 36 zu ziehen, und der Unterdruck stabilisiert sich danach um diesen "Blasendruck" (1,25 KPa oder 5 inch Wasser bei der beispielhaften Ausführungsform). Der Unterdruck fällt jedesmal plötzlich ab, wenn eine Blase eingeführt wird und wächst dann wieder bis zu dem Blasendruck mit fortgesetztem Auswerfen von Tinte an. Wenn der Blasendruck wieder erreicht wird, wird eine weitere Blase eingeführt und der Unterdruck fällt wieder. Dieser Prozeß setzt sich fort, bis das Reservoir von Tinte entleert ist. (Die Linie C in Fig. 3 stellt den Unterdruck dar, welcher auftreten würde, wenn der Blasenerzeuger weggelassen würde. Wie man sehen kann, würde der Unterdruck rasch steigen und bald das Auswerfen von Tinte aus dem Schreiber verhindern.)
Während das Auswerfen von Tinte der prinzipielle Mechanismus ist, der den Unterdruck in dem Reservoir veranlaßt, zu variieren, so ist er nicht der einzige. Umgebungseinflüsse, wie der Umgebungsdruck und die Umgebungstemperatur, spielen ebenfalls eine Rolle. Wenn z.B. der Umgebungsdruck außerhalb des Reservoirs anwächst, wächst der Unterdruck des Reservoirs (d.h. sein Unterdruck bezüglich der Umgebung) ebenfalls. In ähnlicher Weise zieht sich die Luft innerhalb des Reservoirs gemäß dem idealen Gasgesetz zusammen, wenn die Umgebungstemperatur abnimmt, was eine entsprechende Verringerung des Netto-Reservoirvolumens und damit ein entsprechendes Anwachsen des Unterdrucks in dem Reservoir verursacht. In beiden Fällen wirken die Blase und die Blasenerzeuger-Öffnung wie vorangehend beschrieben, um diesen Anderungen des Unterdrucks des Reservoirs entgegenzuwirken und den Unterdruck in der Nähe des gewünschten Wertes einzuregeln.
Umgebungseinflüsse können auch dazu neigen, den Unterdruck des Reservoirs zu verringern (d.h. den Tintendruck auf den Umgebungsdruck oder sogar über ihn hinaus anzuheben). Dies kann z.B. auftreten, wenn der Umgebungsdruck fällt oder wenn die Umgebungstemperatur wächst. In solchen Fällen bildet sich die Blase zurück und dehnt sich zu ihrem nicht geschrumpften Zustand aus, um den erhöhten Druck zu verringern und diesem Effekt entgegenzuwirken. Dabei übt sie weiterhin die Rückstellkraft der Blase auf die Tinte aus, um sie in dem Reservoir zu halten.
Wenn der Umgebungsdruck weiter fällt oder wenn die Umgebungstemperatur weiter wächst, wird die Blase weiterhin ihre Rückstellkraft auf die Tinte ausüben und sie unterhalb des Umgebungsdrucks halten, bis die Blase vollständig aufgeblasen ist. Danach wird ein weiteres Erhöhen des Tintendrucks Tinte durch den Blasenerzeuger 36 in das Auffangbecken 38 treiben.
An diesem Punkt ist die Blase 27 vollständig ausgedehnt und das Auffangbecken 38 enthält Tinte. Wenn die Bedingungen sich danach ändern und der Unterdruck des Reservoirs wächst (d.h. durch Auswerfen von Tinte aus dem Reservoir, durch ein Anwachsen des Umgebungsdrucks, oder durch ein Abnehmen der Umgebungstemperatur), zieht der Schreiber 10 Tinte durch den Blasenerzeuger 36 in das Reservoir 12 aus dem Auffangbecken 38. Man beachte, daß der Schreiber in diesem Fall anders arbeitet, als wenn das Auffangbecken nur Luft enthält. Wenn das Auffangbecken nur Luft enthält und der Unterdruck wächst, wird der Unterdruck durch ein Schrumpfen der Blase abgeschwächt. Wenn das Auffangbecken Tinte enthält, wird jedoch der Unterdruck abgeschwächt, indem Tinte in das Reservoir aus dem Auffangbekken gezogen wird. Dieser Unterschied ist dem höheren Druckunterschied zuzuschreiben, der nötig ist, um eine Luftblase in das tintengefüllte Reservoir zu ziehen, statt mehr Tinte zu ziehen. Die Luftblase hat eine Oberflächenspannung, welche überwunden werden muß, bevor sie in das Reservoir laufen kann. Die Tinte aus dem Auffangbecken hat dies nicht.
Fortgesetztes Auswerfen von Tinte aus dem Reservoir (oder eine Änderung der Umgebung, welche dazu neigt, den Unterdruck zu erhöhen) zieht weiter Tinte aus dem Auffangbecken in das Reservoir, bis die Tinte in dem Auffangbecken erschöpft ist. Danach ist die Situation ähnlich zu derjenigen, bevor der Schreiber verwendet wurde - das Auffangbecken ist trocken und die Blase vollständig ausgedehnt. Ein weiteres Auswerfen von Tinte aus dem Schreiber (oder eine entsprechende Änderung der Umgebung) veranlaßt die Blase, sich zusammenzuziehen. In ihrem zusammengezogenen (oder teilweise zusammengezogenen) Zustand übt die Blase eine rückstellende Kraft auf die Tinte aus, welche den Druck in dem Reservoir unterhalb des Umgebungsdrucks hält. Die Blase zieht sich bei einem weiteren Auswerfen von Tinte weiter zusammen, bis die rückstellende Kraft der Blase (d.h. der Unterdruck des Reservoirs) den Punkt erreicht, an welchem Luftblasen durch den Blasenerzeuger 36 gezogen werden. Der Prozeß setzt sich danach im wesentlichen wie vorher beschrieben fort, wobei eine Blase durch die Blasenerzeuger-Öffnung 36 jedes Mal eingeführt wird, wenn der Unterdruck des Reservoirs den Blasendruck übersteigt.
Aus Fig. 2 kann man erkennen, daß die Blasenerzeuger-Öffnung 36, welche zu dem Auffangbecken führt, sich nicht an dem tiefsten Punkt des Auffangbeckens befindet. Das Auffangbecken ist jedoch vorzugsweise aus Plastik gebildet, welches verursacht, daß sich die Tinte daran in einer aufrechten Geometrie unter der Kraft ihrer eigenen Oberflächenspannung verformt. Dies ermöglicht es der Öffnung 36, das Auffangbecken im wesentlichen vollständig trotz ihrer erhöhten Position über dem Boden des Auffangbeckens zu entleeren. Die Position der Öffnung in der Nähe der Ecke 46 des Auffangbeckens hilft auch bei dem vollständigen Entfernen von Tinte, da die Tinte dazu neigt, sich in dieser Ecke zu sammeln, in welche sie hineingeführt wurde.
Aus der vorangehenden Erörterung erkennt man, daß ein wichtiges Erfordernis darin besteht, die Blase 27 (d.h. ihr Material und ihre Geometrie) so auszulegen, daß ihr rückstellender Druck zwischen dem Blasendruck und dem Umgebungsdruck liegt. Das heißt, daß die Blase so ausgelegt werden sollte, daß sie über einen Bereich schrumpft, welcher einen Unterdruck zwischen 0 und 5 inch Wasser umfaßt. Wenn die Blase nicht in diesem Bereich arbeitet, ist sie für das Regulieren des Drucks des Reservoirs nicht effektiv, weil der Blasenerzeuger immer dahingehend wirken würde, jeden übermäßigen Unterdruck des Reservoirs abzuschwächen, bevor die Blase veranlaßt würde, sich zusammenzuziehen. Bei der dargestellten Ausführungsform besteht die Blase 27 aus Ethylen/Propylen-Dien-Monomer mit einer Dicke von 0,61 mm (0,024 inch) und einem Krümmungsradius von 1,46 mm (0,451 inch).
In der bevorzugten Ausführungsform wird es der Blase nicht gestattet, ihre vollständig halbkreisförmige Form anzunehmen. Eine solche Geometrie steht dem Schrumpfen entgegen. Stattdessen wird die Blase mit Vertiefungen versehen, entweder während der Herstellung oder durch einen Vertiefungsfinger 48 (Fig. 1). Durch diese Anordnung kann die Blase sofort, wenn der Unterdruck wächst, zu schrumpfen beginnen, und erfordert nicht einen hohen Anfangs-Unterdruck, wie es bei einer halbkugelförmigen Blase der Fall wäre, bevor sie zu schrumpfen beginnt.
Die Fig. 4 bis 5 stellen alternative Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Bei der Ausführungsform der Fig. 4 wird der Teil des Reservoirs mit einem variablen Volumen durch einen Beutel 50 gebildet. In dem Beutel 50 ist ein Endstück 42 angeordnet und er wird zu einer vollständig offenen Position durch eine Feder 54 gedrückt. Die Feder 54 ist zwischen dem Endstück 52 des Beutels und einem Federvorsprung 56 an der Oberseite des Reservoirs vorgespannt. Der Betrieb der Ausführungsform nach Fig. 4 ist im wesentlichen identisch mit dem der Ausführungsform der Fig. 1-2, außer daß der Unterdruck des Reservoirs eine stärker lineare Funktion des ausgeworfenen Tintenvolumens ist, weil das irreguläre Schrumpfen einer halbkugelförmigen Blase vermieden wird.
Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform, welche ähnlich der der Fig. 1, 2 und 4 ist, aber eine rollende Membran 58 als Teil des Reservoirs mit variablem Volumen verwendet. Die rollende Membran verhält sich wieder im wesentlichen linear in Antwort auf ein Anwachsen des Unterdrucks des Reservoirs.
Fig. 6 zeigt noch eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist der Teil des Reservoirs mit variablem Volumen oberhalb, statt unterhalb des Teils mit festem Volumen angeordnet. Der Teil mit variablem Volumen umfaßt hier eine rollende Membran 60 in Verbindung mit ein Kolben 62, einem Einpaßteil 64 und einer Feder 66.
Im Betrieb ist das Reservoir 12 anfänglich mit Tinte gefüllt und der Kolben 62 wird in eine vollständig angehobene Position durch die Feder 66 gedrückt, wodurch die Membran 60 vollständig gedehnt wird. Wenn Tinte von dem Schreiber ausgeworfen wird, wächst der Unterdruck des Reservoirs. Wenn der Unterdruck anwächst, wandert der Kolben 62 mit sehr geringer Reibung nach unten, bis er schließlich in Kontakt mit einer Bodenplattform 68 anhält. Ein weiteres Auswerfen von Tinte aus dem Reservoir führt dazu, daß Luft in das Reservoir durch den Blasenerzeuger 36 eintritt, um den Unterdruck des Reservoirs zu regulieren. Diese Luft sammelt sich an.
Wiederum können Temperatur- und Höhenänderungen (von außen wirkende Einflüsse) auf den Schreiber wirken und dazu führen, daß der Unterdruck des Reservoirs abnimmt. Wenn dies geschieht, bewegt sich der Kolben 62 vertikal nach oben, wobei auf ihn der Luftdruck wirkt, der nun nicht gegen die Kolbenkraft und die Federkraft ausgeglichen ist. Diese Bewegung veranlaßt den Schreiber, ein neues Unterdruckgleichgewicht wieder herzustellen, welches nur geringfügig geringer ist als der vorherige Zustand. Dieser Prozeß kann sich fortsetzen, bis die Komponenten Kolben/Membran/Feder ihre ursprüngliche oberste vertikale Position erreichen.
Wenn gewünscht, kann der Schreiber der Fig. 6 mit einem Kugel- Absperrventil 70 versehen sein, um das unbeabsichtigte Zuführen von Luft in das Reservoir zu verhindern. Man erkennt, daß, wenn der Schreiber (oder der Drucker, in welchem er montiert ist) umgedreht wird, Tinte von der Blasenerzeuger-Öffnung 36 wegfließt und es Luft gestatten kann, frei in das Reservoir einzutreten und den Unterdruck auf Null abzusenken. Dies kann wiederum dazu führen, daß eine kleine Menge Tinte aus den Drucköffnungen des Schreibers herausfließt. Die unbeschränkte Zufuhr von Luft zu dem Reservoir hebt auch die Fähigkeit des Schreibers zur Kompensation von Temperatur und Anhebung auf, indem es der Kolben/Membran-Anordnung ermöglicht wird, in die ursprüngliche, ausgefahrene Position mit einem Luftvolumen in dem Reservoir zurückzukehren.
Um diesen unerwünschten Zustand zu verhindern, fällt ein Kugelverschluß 72 immer dann in eine Sitzfläche 74, welche in der Nähe des Orts des Blasenerzeugers vorgesehen ist, wenn der Schreiber umgedreht wird, wodurch der Blasenerzeuger effektiv abgedichtet wird und der Unterdruck des Reservoirs gewahrt wird. Wenn der Schreiber in seine normale Position zurückgeführt wird, fällt die Kugel aus der Sitzfläche und gestattet das Wiederaufnehmen der normalen Unterdruckregulierung. Obwohl das Kugel-Absperrventil 70 gerade bei dieser Ausführungsform der Fig. 6 gezeigt ist, kann es bei jeder Form der Erfindung verwendet werden.
Schließlich ist der Schreiber der Fig. 6 so dargestellt, daß er einen absorbierenden Schaumstoff 76 in dem Auffangbecken umfaßt. Dieser Schaumstoff saugt alle Tinte auf, welche in das Auffangbecken durch von außen wirkende Einflüsse getrieben wird, hält sie zurück und verhindert, daß Tinte durch die Luftausgleichsöffnung herausfließt. Gleichzeitig - und zu allen Zeiten - ermöglicht es der absorbierende Schaumstoff der Luft, frei zwischen der Ausgleichsöffnung und dem Blasenerzeuger zu fließen, wodurch eine normale Unterdruckregulierung gewährleistet wird. Dieser Schaumstoff kann bei jeder Ausführungsform verwendet werden und ist ein letztes Mittel, um Tinte von dem Benutzer fernzuhalten.
Die vorangehend beschriebenen Anordnungen schaffen eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik. Unter diesen ist der hauptsächliche der erweiterte Druck- und Temperaturbereich, über den die Tintenreservoire Tinte in dem Schreiber halten können. Als zusätzlichen Vorteil ermöglichen diese Anordnungen, daß die Auffangbecken verwendet werden können, um einen Teil der ursprünglichen Tintenbefüllung zu speichern, wodurch die volumetrische Effizienz erhöht wird. Schließlich ermöglichen es diese Konstruktionen, daß im wesentlichen die gesamte Tinte zum Drucken verwendet wird, weil keine Tinte in einer eng zusammengezogenen Blase eingefangen ist. (Alle Tinte, welche in der Blase 27 der Fig. 1 zurückbleibt, kann verlagert werden, indem der Schreiber so gekippt wird, daß die Tinte in den Schacht 28 fließen kann, von dem aus sie gedruckt werden kann.)
Nachdem die Grundsätze unserer Erfindung mit Bezug auf eine bevorzugte Ausführungform und verschiedene Abwandlungen davon beschrieben und dargestellt wurden, sollte offensichtlich sein, daß die Erfindung in ihrem Aufbau und im Detail modifiziert werden kann, ohne von diesen Grundsätzen abzuweichen. Während die Erfindung mit Bezug auf eine Entlüftungsöffnung in der oberen Seite des Auffangbeckens dargestellt wurde, könnten z.B. andere Entlüftungsgeometrien, wie ein Kamin, welcher sich von dem Boden des Auffangbeckens wie in Fig. 6 gezeigt nach oben erstreckt, alternativ verwendet werden. Ähnlich könnte, während die Erfindung mit Bezug auf eine Blasenerzeuger-Öffnung dargestellt wurde, welche das Reservoir mit dem Auffangbecken koppelt, diese durch eine Vielzahl von anderen Ventilmechanismen, wie das Absperrventil, welches in dem US-Patent 4 677 447 offenbart ist, ersetzt werden.

Claims

1. Tintenstrahldruckvorrichtung mit einem Tintenreservoir (12) und einem Druckkopf (30) zum Auswerfen von Tinte aus dem Reservoir und einer zweiten Steuervorrichtung (27) zum Steuern des Unterdrucks im Tintenreservoir zwischen einem vorbestiinmten unteren Schwellwert und einem oberen Schwellwert durch Verändern des Volumens des Tintenreservoirs, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Drucksteuervorrichtung (36, 38) zum Regulieren des Unterdrucks im Tintenreservoir durch gesteuertes Einspeisen von Verdrängungsflüssigkeit in dieses vorgesehen ist, wenn der Unterdruck den oberen Schwellwert der zweiten Drucksteuervorrichtung überschreitet.

2. Tintenstrahldruckvorrichtung nach Anspruch 1, bei der im Falle von Schwankungen des Unterdrucks im Tintenreservoir (12) unterhalb eines Schwellwertes die erste Drucksteuervorrichtung (36, 38) nicht arbeitet.

3. Tintenstrahldruckvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die zweite Drucksteuervorrichtung ein abhängig vom Druck im Reservoir (12) bewegliches Bauteil (27) umfaßt.

4. Tintenstrahldruckvorrichtung nach Anspruch 3, bei der das bewegliche Bauteil Spannmittel (54) aufweist, welche bestrebt sind, das Volumen des Reservoirs (12) zu erhöhen.

5. Tintenstrahldruckvorrichtung nach Anspruch 4, bei dem das bewegliche Bauteil eine flexible Blase (27) oder Membran (58) umfaßt.

6. Tintenstrahldruckvorrichtung nach Anspruch 4, bei der das bewegliche Bauteil einen federbetätigten flexiblen Beutel (50) umfaßt.

7. Tintenstrahldruckvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, bei der das bewegliche Bauteil einen federbetätigten Kolben (62) umfaßt.

8. Tintenstrahldruckvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der Mittel (36) zum Austragen von Fluid aus dem Reservoir vorgesehen sind, wenn der Unterdruck im Reservoir (12) kleiner als der untere Schwellwert der zweiten Drucksteuervorrichtung (27) ist.

9. Tintenstrahldruckvorrichtung nach Anspruch 8, bei der die erste Drucksteuervorrichtung umfaßt: ein Auffangbecken (38); Kuppelmittel zum Anschließen des Auffangbeckens an den Umgebungsdruck; Mittel zum Bilden einer Öffnung (36), welche einen Fluid-Pfad herstellt, durch welchen das Tintenreservoir (12) Fluid aus dem Auffangbecken abhängig von der Druckdifferenz zwischen dem Reservoir und dem Auffangbecken saugen kann; und einen Druckregulator (36) zum Begrenzen der Fluidströmung aus dem Auffangbecken in das Tintenreservoir derart, dar der Druck im Tintenreservoir nicht vollständig den Umgebungsdruck erreichen kann.

10. Tintenstrahldruckvorrichtung nach Anspruch 9, bei der Öffnungsmittel (36) zum Herstellen eines Fluidpfades vorgesehen sind, über welchen Tinte aus dem Reservoir (12) Rum Auffangbecken (38) ausgetrieben werden kann, wenn dazwischen ein ausreichender Differenzdruck herrscht; und bei dem das bewegliche Bauteil das Volumen des Tintenreservoirs verändert und bewirkt, daß über einen ersten Bereich von Reservoirdrücken Druck im Reservoir entlastet wird, um zu verhindern, dar Tinte aus den Öffnungsmitteln in das Auffangbecken durch Drücke in diesem Bereich ausgetrieben wird.

11. Tintenstrahldruckvorrichtung nach Anspruch 10, bei der das bewegliche Bauteil (27) auf den Druck im Tintenreservoir (12) reagierende Mittel umfaßt, um das Volumen des Tintenreservoirs zu verändern.

12. Tintenstrahldruckvorrichtung nach einen der Ansprüche 8 bis 11, bei der die erste Drucksteuervorrichtung (36, 38) eine Ventilvorrichtung (70) zum Verhindern des ungedrosselten Eindringens von Fluid in das Reservoir (12) aufweist, wenn die Vorrichtung umgekehrt wird.

13. Verfahren zum Betreiben eines Tintenstrahlschreibers mit einem Reservoir (12) für Tinte und einer zweiten Drucksteuervorrichtung (27) zum Regulieren des Unterdrucks in dem Reservoir (12) mit den folgenden Schritten: Regulieren des Unterdrucks im Reservoir zwischen einem minimalen Schwellwert und einem maximalen Schwellwert der zweiten Drucksteuervorrichtung (27) durch Verändern des Volumens des Reservoirs (12); und Regulieren des Unterdrucks im Reservoir (12) wenn der Unterdruck den maximalen Schwellwert der zweiten Drucksteuervorrichtung (27) überschreitet, und zwar durch Einführen von Fluid in das Reservoir.

14. Verfahren nach Anspruch 13, umfassend den weiteren Schritt des Regulierens des Reservoirs (12) wenn dieser unterhalb des minimalen Schwellwertes der zweiten Drucksteuervorrichtung (27) liegt, und zwar durch Über führen von Tinte aus dem Reservoir in ein Auffangbecken (38).