DE69122732T2

DE69122732T2 - Verfahren und Gerät für die Tintenversorgung eines Tintenstrahldruckers

Info

Publication number: DE69122732T2
Application number: DE69122732T
Authority: DE
Inventors: Michael Carlotta; Steven J Dietl; Richard A Morano
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1990-12-27
Filing date: 1991-12-23
Publication date: 1997-03-13
Anticipated expiration: 2011-12-24
Also published as: DE69122732D1; US5486855A; US5233369A; EP0493058A2; JP3156319B2; JPH04278360A; EP0493058B1; EP0493058A3

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Tintenpatronen für Tintenstrahldrucksysteme und insbesondere eine verbesserte Patrone, die ein großes Tintenaufnahmevermögen hat, da sie auch das Verschütten von Tinte verhindert.
Thermische Tintenstrahldrucker haben typischwerweise einen Druckkopf, der an einein Wagen angebracht ist, der die Breite eines bewegbaren Aufzeichnungsmediums, wie Papier, hin- und her überquert. Der Druckkopf schließt im allgemeinen eine Mehrfachanordnung von Düsen ein, die dem Aufzeichnungsmedium gegenüber sind. Jede Düse befindet sich an einem Ende eines mit Tinte gefüllten Kanals, dessen anderes Ende mit einem Tintenvorratsbehälter verbunden ist. Wenn die Tinte in der Nähe der Düsen verwendet wird, wird sie durch Tinte in dem Behälter ersetzt. Kleine Widerstände in den Kanälen werden einzeln durch Stromimpulse adressiert, die digitalisierte Informationen oder Videosignale darstellen. Die Wärmeenergie von den Widerständen bewirkt, daß Tröpfchen aus der Düse ausgestoßen und auf das Aufzeichnungsmedium fortbewegt werden, wo jedes Tröpfchen ein Bildelement oder Pixel druckt.
Es ist wichtig, daß die Tinte an der Düse mit einem Unterdruck (Unteratmosphärendruck) aufrecht erhalten wird, so daß die Tinte daran gehindert wird, auf das Aufzeichnungsmedium zu tropfen, bis ein Tröpfchen durch Wärmeenergie ausgestoßen wird. Ein Unterdruck stellt auch auf vorteilhafte Weise sicher, daß die Größe der von der Düse ausgestoßenen Tintentröpfchen konstant bleibt, wenn die Tinte von dem Behälter entleert wird. Der Unterdruck ist üblicherweise in dem Bereich von 12,5 bis 50 mm Tinte.
Ein bekanntes, sehr einfache Verfahren zum Zuführen von Tinte mit einem Unterdruck ist in Fig. 1 gezeigt. Der Tintenbehälter 6 weist einen maximalen Tintenvorratspegel 2 auf, der 12,5 mm unterhalb des Druckkopfes 1 ist. Der Boden des Behälters 6 ist 50 mm unterhalb des Druckkopfes. Die Tinte wird durch die Tintenzuführröhre 3 durch die Kapillarwirkung der Druckkopfdüsen hochgezogen. Solange der Behälter 6 eine Öffnung 4 aufweist, die dem Atmosphärendruck ausgesetzt ist, führt diese Ausgestaltung Tinte im Druckkopf 1 durch die Tintenzuführröhre 3 mit einem Unterdruck von 12,5 bis 50 mm zu. Die Nachteile dieser Ausgestaltung sind, daß wenn die Patrone nicht aufrecht gehalten wird, die Tinte aus den Düsen verschüttet wird, und daß das Tintenvolumen, das dem Tintenkopf zur Verfügung steht, durch das verfügbare Volumen in der Vorrichtung unterhalb der Druckkopfdüsen begrenzt ist.
Ein anderes bekanntes Verfahren zum Zuführen von Tinte mit einem Unterdruck ist in Fig. 2 gezeigt. Bei dieser Ausgestaltung ist die Kammer 6 mit einem Schaum gefüllt, in dem die Tinte durch die Kapillarwirkung gehalten wird. Der Schaum ist allgemein ein teilweise gesättigter, netzförmiger Urethanschaum. Die Absorption der Tinte durch den Schaum hält die Tinte auf einem Unterdruck bei dem Druckkopf 1. Der Wert des Unterdrucks wird durch eine Anzahl von Faktoren bestimmt, einschließlich der Eigenschaften des ausgewählten Schaums, der oberflächenspannung der Tinte, der Höhe des Schaums in bezug auf den Druckkopf 1, und ganz besonders der Sättigung des Schaums. Wenn der Schaum mit Tinte zu 100 % seines Fassungsvermögens gefüllt ist, verhält sich die Tinte, als wenn der Schaum nicht vorhanden wäre, und somit gibt es keinen Unterdruck. Ein ureigener Vorteil einer teilweise gesättigten Schaumkonstruktton ist, daß, weil die Tinte von dem Schaum absorbiert wird, Tinte unabhängig von der Ausrichtung der Patrone nicht verschüttet wird. Dies ist insbesondere von Vorteil während des Verschickens der Patrone. Jedoch besteht ein merk]icher Nachteil dieser Konstruktion in ihrem ineffizienten Volumen; die Patrone benötigt ein relativ großes Volumen, um eine gegebene Menge an Tinte zuzuführen. Beispielsweise hat eine Patrone dieser Art, die von Hewlett-Packard Corporation hergestellt wird, ein Volumen von 45 ccm, das nur 22 ccm verwendbarer Tinte zuführen kann. Somit hat diese Patrone einen Wirkungsgrad von weniger als 50 %.
In Anbetracht dieser Schwierigkeiten, die mit diesen Tintenzuführsystemen verbunden sind, besteht ein Bedürfnis nach einer Tintenstrahlpatrone, die einen verbesserten Volumenwirkungsgrad aufweist, während zusätzlich die Möglichkeit des Verschüttens minimiert wird.
Es ist eine Zielsetzung der Erfindung, eine Tintenpatrone für einen Tintenstrahldrucker zu schaffen, die die obengenannten Nachteile überwindet.
Gemäß der Erfindung wird eine Tintenpatrone geschaffen, wie sie in den beigefügten Ansprüchen beansprucht wird.
Die Patrone schließt ein Patronengehäuse mit einer oberen Kammer, einer unteren Kammer und einer ersten Wand dazwischen ein. Die obere Kammer enthält im wesentlichen durchgehend einen Kapillarschaum, der eine zu bestimmende Kapillarwirkung zum Absorbieren von Tinte aufweist. Eine Öffnung in der Kammerwand setzt den Schaum der Atmosphäre aus. Die untere Kammer ist im wesentlichen mit Tinte gefüllt. Ein Druckkopf ist auf einer vertikalen Höhe angeordnet, die höher als das obere Niveau der unteren Kammer ist. Eine Zuführleitung ist vorgesehen, die Tinte durch die Kapillarwirkung von den Kammern zu dem Druckkopf fördert. Ein zweiter Kapillarschaum weist eine zu bestimmende Kapillarität auf, die größer als die Kapillarität des ersten Kapillarschaums ist. Der zweite Schaum steht in Fluidverbindung mit der oberen und der unteren Kammer und mit der Zuführleitung Die hohe Sättigung des im wesentlichen untergetauchten zweiten Schaums verhindert, daß Luft in die untere Kammer eintritt.
Indem zwei Kammern vorgesehen werden, von denen eine Schaum enthält und die andere nicht, liefert die Patrone als Ganzes eine relativ große Tintenaufnahmefähigkeit in einem kleinen Volumen. Zusätzlich verhindert die Patrone auf vorteilhafte Weise das Verschütten von Tinte unabhängig von ihrer Ausrichtung. Wenn der zweite Schaum vollständig gesättigt ist, ist die untere, tintengefüllte Kammer luftverschlossen und somit kann Tinte nicht aus ihr verschüttet werden. Wenn der zweite Schaum etwas entsättigt wird, was auftreten mag, wenn die Patrone geneigt wird, befindet sich die Tinte innerhalb des zweiten Schaums auf einem Unterdruck, der ausreichend ist, die Tinte in der Zuführleitung so zu halten, daß Tinte nicht aus dem Druckkopf verschüttet wird. Deshalb kann Tinte unabhängig von der Ausrichtung der Patrone oder dem Sättigungsgrad des zweiten Schaums nicht verschüttet werden.
Das obige ist eine kurze Beschreibung einiger der Nachteile in geoffenbarten Tintenstrahlpatronen und der Vorteile der vorliegenden Erfindung. Andere Merkmale, Vorteile und Ausführungsformen der Erfindung werden für den Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen offensichtlich, in denen:
Fig. 1 eine Seitenschnittansicht einer bekannten Tintenpatrone zeigt, die Tinte bei Unterdruck zuführt;
Fig. 2 eine Seitenschnittansicht einer anderen bekannten Tintenpatrone zeigt, die Tinte bei einem Unterdruck zuführt, wobei ein mit Tinte gesättigter Schaum verwendet wird;
Fig. 3 eine Seitenschnittansicht einer Tintenstrahlpatrone zeigt, die gemäß den Grundgedanken der Erfindung konstruiert ist; und
Fig. 4 eine Seitenansicht einer andersartigen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die Fig. 3 zeigt eine erste Ausführungsform der Tintenstrahlpatrone der vorliegenden Erfindung in einer Seitenschnittansicht Die Patrone schließt eine obere Kammer 7 ein, die im wesentlichen mit einem Kapillarschaum 8 gefüllt ist, wie ein filzartiger, netzfärmiger Polyurithanschaum. Dieser Schaum 8 wird gegen die Wände der Kammer 7 zusammengedrückt. Die Kammer hat eine Öffnung 4, die den Schaum 8 in der oberen Kammer 7 dem Atmosphärendruck aussetzt.
Der in der oberen Kammer verwendete Schaum kann ein Melaminschaum, eine Fasermasse oder irgendein Material sein, das die verlangte Kapillarwirkung liefert. In diesem Fall sollte er einen Druck von zwischen -25 mm Wasser bis 150 mm Wasser liefern.
Eine untere Kammer 6 ist vorgesehen, die anfangs im wesentlichen mit Tinte gefüllt ist. Eine erste Wand 23 bildet sowohl den Boden der oberen Kammer 7 und die Oberseite der unteren Kammer 6. Die erste Wand 23 erstreckt sich horizontal zwischen den zwei Kammern 6 und 7, ist aber von der vertikalen Wand 30 der Patrone beabstandet, um eine Öffnung 31 zu bilden, die die zwei Kammern 6 und 7 verbindet. Die Kammer 6 ist so angeordnet, daß sich ihre Oberseite 13 unterhalb des Niveaus des Druckkopfes 1 befindet. In Fig. 3 ist die Oberseite 13 der Kammer 6 um 12,5 mm unterhalb des Druckkopfes 1 angeordnet. Der Boden 16 der unteren Kammer 6 kann auf vorteilhafte Weise so angeordnet werden, daß er 50 mm unterhalb des Druckkopfes 1 ist. Die untere Kammer wird während des Zusammenbaus durch eine Fülleitung 19 gefüllt und dann hermetisch mit einem Füllstopfen 18 abgedichtet.
Bei dieser Ausgestaltung ist die obere Kammer 7 von der umgebenden Atmosphäre mit Ausnahme der Öffnung 4 und der Öffnung 31 der unteren Kammer getrennt. Somit wird der Druck in dieser Kammer durch den Druckunterschied zwischen der Öffnung 4 und der Öffnung 31 gesteuert.
Wie bei der oberen Kammer kann der Schaum der unteren Kammer filzartiger, netzförmiger Polyurethan-, Melamin-Schaum oder ein Polyvinylschwamm, poröser gesinterter Kunststoff oder irgendein Material mit der verlangten Kapillarität sein. Der Schaum 9 sollte bei einer Sättigung von 100 % oder nahe von 100 % eine Wassersäule von 250 bis 375 mm halten, ohne zu ermöglichen, daß Luft hindurchgeht.
Der Hochkapillarschaum 9, der die obenbeschriebenen Eigenschaften aufweist, ist in der Öffnung 31 zwischen dem Ende der ersten Wand 23 und der vertikalen Wand 30 so angeordnet, daß er eng gegen den Schaum 8, die untere Kammer 6 und die Tintenzuführleitung 3 positioniert ist. Der Schaum 9 stößt auch gegen die erste Wand 23, um eine Abdichtung 12 zwischen den zwei Kammern zu bilden. Als ein Ergebnis wirkt der zweite Schaum als eine Tintenspüleinrichtung von dem Schaum in der oberen Kammer. Der zweite Schaum hält sich selbst konstant bei 100 % Sättigung, da er sich selbst mit Tinte von dem oberen Schaum auffüllt, wenn Tinte während des Druckens abgezogen wird. Anders ausgedrückt kann Tinte die Kammer 6 nicht verlassen, weil der Tintenstopfen 18 und die hohe Sättigung beider Schäume 8 und 9 Luft daran hindert, in die Kammer 6 einzutreten, um den Platz der austretenden Tinte einzunehmen.
Eine Tintenzuführleitung 3 überführt Tinte durch die Kapillarwirkung von dem unteren Abschnitt des Schaums 9 zu dem Druckkopf 1. Eine zweite Wand 25 befindet sich zwischen dem Boden 16 der Kammer 6 und der Tintenzuführleitung 3. Der Hochkapillarschaum 9, der eine größere Kapillarität als der Schaum 8 aufweist, arbeitet als eine Fluidleitungseinrichtung, die Tinte von der oberen und unteren Kammer 7 und 6 zu der Tintenzuführleitung 3 bringt. Da die Kapillarität des Schaums 9 größer als die Kapillarität des Schaums 8 ist und daher eln besserer Tintenabsorber ist, bleibt der Schaum 9 100 % mit Tinte so lange gesättigt, wie Tinte in dem Schaum 8 oder der Kammer 6 vorbanden ist. Der Schaum 9 kann einen Polyvinylalkoholschaum umfassen. Die Arbeitsweise der in Fig. 3 gezeigten Patrone ist, wie folgt. Der Schaum 8 ist mit Tinte bis zu einer Sättigung von weniger als 100 % gefüllt, so daß er einen Unterdruck liefert. Genauer gesagt ist der Schaum mit Tinte bis zu ungefähr 60 % seiner Kapazität gefüllt. Zusätzlich ist die Kammer 6 mit Tinte bis zu ihrer Oberseite 13 gefüllt. Der Tintenfüllstopfen 18 ist über dem Fülloch 19 angeordnet, wobei er die Leitung 19 und die Kammer 6 hermetisch abdichtet. Die Tinte in beiden Kammern 6 und 7 ist auf einem Unterdruck im bezug auf den Druckkopf 1. In der Kammer 7 ist die Tinte auf einem Unterdruck, weil sie von dem Schau 8 absorbiert worden ist. In der Kammer 6 ist die Tinte auf einem Unterdruck, da sie unterhalb des Niveaus des Druckkopfes 1 angeordnet ist.
Da der Hochkapillarschaum 9 eine größere Kapillarität als der Schaum 8 hat, wird der Schaum 9 schnell mit Tinte gesättigt. Jedoch kann die Tinte in der unteren Kammer 6 nicht durch den Schaum 9 geleitet werden, da, wie es oben erklärt worden ist, die Tinte in der Kammer 6 luftgesperrt ist. Anfangs ist deshalb der Schaum 9 nur mit Tinte von der oberen Kammer 7 gesättigt. Als nächstes wird die Tinte nun in dem Schaum 9 durch die Tintenflußleitung 3 durch die Kapillarwirkung der Druckkopfdüsen zu dem Druckkopf 1 geleitet, wo sie auf einem Unterdruck bleibt, bis ein Tröpfchen durch die Wärmeenergie ausgestoßen wird.
Wenn ein Tröpfchen von dem Druckkopf 1 ausgestoßen wird, zieht die Kapillarwirkung eine äquivalente Tintenmenge von dem Schaum 9 in die Tintenflußleitung 3 ein. Ihrerseits fließt Tinte von dem Schaum 8 in den Schaum 9, um den Schaum 9 bei einer Sättigung von 100 % aufrecht zu erhalten. Wenn von dem Schaum 8 Tinte abgezogen wird, strömt Luft durch die Öffnung 4 ein, um ihren Platz einzunehmen. Dieser Vorgang wird fortgesetzt, bis der Schaum 8 von Tinte entleert und mit Luft gefüllt ist.
Wenn sich der Schaum 8 nach und nach mit Luft füllt, tritt etwas von dieser Luft in den Schaum 9 ein und unterbricht die luftdichte Abdichtung 12 zwischen der ersten Wand 23 und dem Schaum 9. Als ein Ergebnis kann Luft in die Kammer 6 eintreten und die Tinte darin ist nicht länger luftgesperrt. Infolgedessen beginnt nun Tinte von der Kammer 6 in den Schaum 9 zu fließen. Diese Tintenzuführung von der Kammer 6 hält den Schaum 9 bei einer Sättigung von 100 % aufrecht, selbst nachdem der Schaum 8 geleert worden ist. Der Schaum 9 bleibt vollständig gesättigt, bis die Tinte vollständig von der Kammer 6 abgezogen worden ist.
Die Tintenstrahlpatrone der vorliegenden Erfindung liefert eine Anzahl von Vorteilen gegenüber den bekannten Patronen, die in Fig. 1 und 2 dargestellt sind. Zunächst ist, da eine relativ volumenineffiziente, mit Schaum gefüllte Kammer 7 mit einer höchst volumeneffizienten, tintengefüllten Kammer 6 kombiniert wird, der gesamte Volumenwirkungsgrad der Patrone größer als bei der in Fig. 2 gezeigten, bekannten Patrone. Zusätzlich verhindert, anders als bei der bekannten, in Fig. 1 dargestellten Patrone, die Patrone der vorliegenden Erfindung auf vorteilhafte Weise das auslecken von Tinte unabhängig von ihrer Ausrichtung. Solange der Schaum 9 gesättigt ist, ist die untere Kammer 6 luftgesperrt und somit kann keine Tinte aus ihr herauslecken. Selbst wenn die Patrone gedreht wird, so daß der Druckkopf 1 unterhalb des Restes der Patrone (eine Drehung von 90º im Gegenuhrzeigersinn der Fig. 3) angeordnet wird, leckt keine Tinte aus, weil die Schwerkraft die Tinte in den Kammern 6 und 7 von dem Schaum 9 wegzieht. Als ein Ergebnis wird der Schaum 9 etwas entsättigt und somit ist die Tinte darin auf einem Unterdruck wegen der Kapillarwirkung. Dieser Unterdruck ist ausreichend, die Tinte in der Zuführleitung 3 so zu halten, daß sie nicht aus dem Druckkopf 1 herausleckt.
Fig. 4 stellt eine andersartige Ausführungsform der Erfindung dar. Gleiche Bezugszeichen werden für die Bauteile in Fig. 4 verwendet, die denjenigen in Fig. 3 entsprechen. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform der Fig. 3 dahingehend, daß der Tintenstopfen 18 durch eine Gortex-Belüftung 27 ersetzt ist, die fortlaufend ermöglicht, daß Luft durch die Luftleitung 19 fließt, die aber für Flüssigkeiten undurchlässig ist. Infolgedessen wird die untere Kammer 6 niemals luftgesperrt, und Tinte kann von dem Schaum 9 zu jeder Zeit mit der Hereinnahme von Luft durch die Gortex-Belüftung 27 absorbiert werden. Bei dieser Ausführungsform zieht der Schaum 9 Tinte gleichzeitig von beiden Kammern 6 und 7 weg. Ob die Strömungsgeschwindigkeit von der Kammer 6 oder 7 größer ist, hängt von einer Anzahl von Faktoren, einschließlich der relativen Kapillarität der Schäume 8 und 9 ab. Die Patrone kann so ausgelegt werden, daß entweder von der Kammer 6 oder der Kammer 7 zuerst Tinte abgezogen wird. Da die Gortex-Belüftung 27 für Flüssigkeiten undurchlässig ist, kann Tinte nicht aus der unteren Kammer 6 über die Luftleitung 13 auslaufen, und somit verhindert diese Ausführungsform das Herauslaufen ebenso wirksam wie die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform.
Das Obige ist eine detaillierte Beschreibung einer besonderen Ausführungsform der Erfindung. Der volle Umfang der Erfindung ist in den Ansprüchen angegeben, die folgen.

Claims

1. Eine Tintenpatrone für einen Tintenstrahldrucker, umfassend:

Patronengehäuse zum Halten von Tinte, die umfaßt eine untere Kammer (6) und eine obere Kammer (7), die oberhalb der unteren Kammer angebracht ist, ein erstes poröses Element (8) in der oberen Kammer (7) und ein zweites, poröses Element (9), das mit dem ersten, porösen Element (8) in Berührung und in Fluidverbindung mit der Tinte in der unteren Kammer (6) ist, wobei das zweite, poröse Element (9) eine größere Kapillarität als diejenige des ersten, porösen Elements (8) aufweist, das genannte Gehäuse eine Öffnung (4) hat, die die genannte obere Kammer zur Atmosphäre freigibt;

einen Druckkopf (1), der Tintenstrahldüsen aufweist und auf einer vertikalen Höhe angeordnet ist, die größer als die Oberseite (13) der genannten unteren Kammer (6) ist;

eine Zuführleitung (3) zum Fördern von Tinte durch die Kapillarwirkung zu dem genannten Druckkopf von der genannten unteren Kammer (6), wobei die Zuführleitung ein Einlaßende (29) aufweist, das nahe der Bodenfläche der genannten unteren Kammer (6) angeordnet ist; und

das zweite, poröse Element (9) gegen das genannte Einlaßende drückt, um zu verhindern, daß Fluid aus den genannten Düsen beim Neigen der genannten Patrone ausläuft.

2. Die Tintenpatrone des Anspruchs 1, in der das zweite, poröse Element (9) gesättigt und das erste, poröse Element (8) in der oberen Kammer (7) ungesättigt ist.

3. Die Tintenpatrone des Anspruchs 1 oder Anspruchs 2, in der das erste, poröse Element (8) in der oberen Kammer im wesentlichen die genannte obere Kammer ausfüllt.

4. Die Tintenpatrone nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, in der die genannte untere Kammer eine Leitung (19) zum Entlüften der genannten unteren Kammer zu der Atmosphäre hat.

5. Die Tintenpatrone des Anspruchs 4, die ferner eine Belüftung (18 oder 27) zum Fluidabdichten der genannten Leitung (19) aufweist, während sie für Luft durchlässig ist.

6. Die Tintenpatrone des Anspruchs 5, in der die obere Kammer (7) von der unteren Kammer (6) durch eine Wand (23) abgeteilt ist, die sich horizontal von einer ersten Seite des genannten Gehäuses erstreckt, wobei die genannte Wand eine Endseite aufweist, die derart angeordnet ist, daß ein Zwischenraum (31) zwischen der genannten Endseite und einer zweiten Seite des Gehäuses gebildet wird, das genannte zweite, poröse Element (9) in dem genannten Zwischenraum angeordnet ist und einen ersten Abschnitt aufweist, der sich in Berührung mit dem genannten ersten, porösen Element (8) erstreckt.

7. Die Titenpatrone des Anspruchs 6, in der die genannte zuführleitung (3) mit einem zweiten Abschnitt des genannten zweiten, porösen Elements (9) in Verbindung steht, der sich vertikal unterhalb des genannten ersten Abschnitts des zweiten, porösen Elements befindet.

8. Die Tintenpatrone nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, worin der genannte Druckkopf auf einer vertikalen Höhe ungefähr 12,5 mm oberhalb der genannten Oberseite (13) der unteren Kammer angeordnet ist.

9. Die Tintenpatrone nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, in der das genannte zweite, poröse Element (9) in der genannten unteren Kammer (6) an einer Stelle angeordnet ist, die von dem Druckkopf am weitesten entfernt ist, um die Tragbarkeit beim Drehen zu maximieren, indem dem porösen Element ermöglicht wird, daß es aus der Tinte bei Patronenausrichtungen heraus ist, bei denen der Druckkopf unterhalb des Tintenpegels ist.