DE69618052T2

DE69618052T2 - Vorrichtung zur Tintenversorgung eines Druckkopfes

Info

Publication number: DE69618052T2
Application number: DE69618052T
Authority: DE
Inventors: Jon J. Fong; S. Dana Seccombe
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 1995-03-23
Filing date: 1996-02-27
Publication date: 2002-06-13
Anticipated expiration: 2016-02-28
Also published as: US5650811A; JP3595407B2; EP0733481A2; DE69618052D1; JPH0911488A; EP0733481B1; EP0733481A3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet des Tintenstrahldruckens und spezieller auf die Zuführung von Tinte und die Steuerung von Tintendrücken bei Tintenstrahldruckköpfen.
Tintenstrahldrucker stoßen mittlerweile auf breite Akzeptanz. Diese Drucker sind von W.J. Lloyd und H.T. Taub in "Ink-Jet Devices", Kapitel 13 von Output Hardcopy Devices (Ed. R. C. Durbeck und S. Sherr, Academic Press, San Diego, 1988) und in dem US-Patent 4,490,728 beschrieben. Tintenstrahldrucker bringen einen qualitativ hochwertigen Druck fiervor, sind kompakt und tragbar und drucken schnell, aber leise, da nur die Tinte das Papier berührt. Die Hauptkategorien bei der Tintenstrahldruckertechnologie umfassen den Dauertintenstrahl, den unterbrochenen Tintenstrahl und den Tropfen-Auf-Aufforderung-Tintenstrahl. Die Tropfen-Auf- Aufforderung-Kategorie kann ferner in piezoelektrische Tintenstrahldrucker und Thermotintenstrahldrucker unterteilt werden. Der typische Thermotintenstrahldruckkopf weist ein Array von exakt gebildeten Düsen auf, die an einem Thermotintenstrahldruckkopfsubstrat angebracht sind, das ein Array von Abschußkammern beinhaltet, die flüssige Tinte (d. h. in einem Lösungsmittel aufgelöste oder dispergierte Farbstoffe) von einem Tintenreservoir empfangen. Jede Kammer weist einen Dünnfilmwiderstand, als "Abschußwiderstand" bezeichnet, auf, der gegenüber der Düse angebracht ist, so daß sich zwischen demselben und der Düse Tinte sammeln kann. Wenn elektrische Druckpulse den Thermotintenstrahlabschußwiderstand erwärmen, verdampft ein kleiner Teil der Tinte, die sich in der Nähe desselben befindet, und stößt, einen Tropfen Tinte von dem Druckkopf aus. Ordnungsgemäß angeordnete Düsen bilden ein Punktmatrixmuster. Ordnungsgemäßes Sequenzieren der Operation jeder Düse bewirkt, daß sich auf dem Papier Schriftzeichen oder Bilder formieren, während sich der Druckkopf an dem Papier vorbeibewegt.
Tintenzufuhrsysteme für konventionelle Tintenstrahldruckköpfe führen Tinte bei einem leichten Vakuum, das als "Gegendruck" bezeichnet wird, zu, so daß die Tinte nicht aus den Düsen ausfließt. In der Regel beträgt dieses leichte Vakuum etwa 0,5 kPa bis 0,75 kPa (2 bis 3 Zoll Wasser) unter dem atmosphärischen Druck. Der Gegendruck kann durch Positionieren des Tintenreservoirs unterhalb des Druckkopfes erzeugt werden, so daß das System mit einem leichten Vakuum in dem Druckkopf ins Gleichgewicht kommt. Alternativ dazu kann unter Verwendung einer Feder, um eine Blasenmembran nach außen zu ziehen, um einen leichten negativen Druck in dem Tintenreservoir zu erzeugen, ein leichter negativer Gegendruck erzeugt werden. Dieser Lösungsansatz ist in dem US-Patent 4,509,602 mit dem Titel "Ink Reservoir With Essentially Constant Negative Back Pressure", das am 2. April 1985 erteilt und an die Anmelderin dieser Erfindung übertragen wurde, beschrieben.
Heutzutage weisen die meisten konventionellen Tintenstrahldruckköpfe ein "eingebautes Tintenreservoir" ("On-Board- Tintenreservoir") auf. Mit anderen Worten, das Tintenreservoir ist physisch an dem Druckkopf befestigt und bewegt sich während Druckvorgängen zusammen mit demselben. Während sich der Druckkopf und das Tintenreservoir über die Seite hinweg hin- und herbewegen, beschleunigt und verlangsamt sich die Tinte und entwickelt infolgedessen Druckstöße, die Tinte entladen oder aus dem Druckkopf ausstoßen können. Manche bisher bekannte eingebaute Tintenvorräte weisen einen Block aus Schaumstoff in dem Tintenreservoir auf, um den Gegendruck durch Kapillarwirkung zu erzeugen und zu verhindern, daß die Tinte schwappt und Druckstöße entwiCkelt. Der Schaumstoff nimmt einen großen Teil des Tintenreservoirvolumens ein und verringert so die Kapazität des Tintenreservoirs.
Manche Tintenstrahldruckköpfe weisen "Außeraxial- Tintenreservoirsysteme" auf. Diese Systeme verwenden eine kleine flexible Röhre, um Tinte von einem stationären Tintenreservoir zu einem sich bewegenden Druckkopf zu transportieren. Wenn der Vorrat an Tinte niedrig ist, ersetzt die Bedienperson lediglich das Tintenreservoir. Wie bei eingebauten Systemen erzeugen eine Beschleunigung und Verlangsamung des Druckkopfes und der flexiblen Röhre Druckstöße, die eine Tinte entweder entladen oder aus dem DrucCkopf ausstoßen können.
Die relative Höhe des Druckkopfs und des Außeraxial- Tintenreservoirs beeinflussen den Gegendruck des Tintenstrahldruckkopfes. Viele bisher bekannte Systeme stellen den Gegendruck ein, indem sie ein breites und flaches Reservoir verwenden, das in einer bestimmten Höhe plaziert ist, um einen leicht negativen Druck in dem Tintenstrahldruckkopf zu erzeugen. Da das Reservoir flach ist, ändert sich sein Pegel nicht sehr stark, und der Gegendruck des Tintenstrahldruckkopfes ändert sich nicht sehr stark. Das Problem bei dieser Anordnung besteht darin, daß ein Neigen des Druckers den Betrieb des Druckkopfes stören kann. Ein weiteres Problem besteht in der geringen Tintenkapazität eines flachen Tintenreservoirs.
Ein Außeraxial-Tintenreservoirsystem ist in der japanischen Patentschrift Nr. 63-256451 (japanische Seriennummer 62- 91304) von Kurashima beschrieben, die am 24.10.1988 veröffentlicht wurde. Ähnlich den oben erwähnten Tintenzufuhrsystemen des Standes der Technik bezieht sich das Dokument JP-A-62 225 352 auf einen Tintenversorgungsmechanismus für einen Tintenstrahldrucker. Dieser Tintenversorgungsmechanismus ist ausgeführt, um zu verhindern, daß ein Tintenversorgungsdruck variiert, und um zu ermöglichen, daß eine Tintenkassette an einer willkürlichen Position in einem Drucker angeordnet wird, durch Vorsehen eines Schwimmer- Typ-Ventils an einer Tintenversorgungsöffnung eines Tintenbehälters. Die Funktionsweise des Schwimmer-Typ-Ventils ist derart, daß, wenn der Tintenpegel in dem Tintenbehälter gesenkt wird, das Schwimmer-Typ-Ventil ebenfalls abgesenkt wird, um die Tintenversorgungsöffnung zu öffnen, durch die eine Tinte von einem externen Tintenreservoir zugeführt werden kann. Wenn der Tintenpegel in dem Tintenbehälter einen vorbestimmten oberen Pegel erreicht, wird die Tintenversorgungsöffnung durch das Ventil geschlossen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine verbesserte Vorrichtung zum Zuführen von Tinte zu einem Druckkopf zu schaffen, die einen Gegendruckregler umfaßt, so daß der Gegendruck in dem Druckkopf unabhängig von dem Reservoirdruck ist.
Aus den vorstehend erörterten Gründen wäre es vorteilhaft, über einen kleinen, kostengünstigen Gegendruckregler für Tintenstrahldruckköpfe zu verfügen.
Kurz und allgemein gesagt umfaßt eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung einen Druckregler zum Aufnehmen von Tinte von einem Reservoir und zum Zuführen von Tinte zu einem konventionellen Druckkopf bei einem Druck von ca. -0,5 kPa (minus zwei Zoll Wasser).
Ein mit Druck beaufschlagtes Tintenzufuhrsystem ermöglicht die Verwendung von Tintenrohrleitungen mit einem kleineren Durchmesser, die eine größere mechanische Flexibilität aufweisen als die größeren, konventionell verwendeten Rohrleitungen. Dieses Merkmal ist bei dem Entwerfen von Kleinstprodukten von sehr großer Bedeutung. Die Verwendung von Rohrleitungen mit kleinem Durchmesser bedeutet auch, daß die Innenoberfläche der Rohrleitungen, die mit der Tinte in Berührung kommt, kleiner ist, und somit unterliegt die Tinte einer geringeren Diffusion und einem geringeren Wasserverlust. Zudem ermöglicht ein mit Druck beaufschlagtes Tintenversorgungssystem eine größere Wahlfreiheit bei der Ausgestaltung des Druckers und der Positionierung des Tintenreservoirs in bezug auf den Druckkopf. Die Trägheitsmasse des Druckkopfes und des Wagens kann ferner verringert werden, da die Masse des Reservoirs nicht länger in Bewegung ist. Der Wagen muß weniger Trägheitsmasse bewegen, und ein viel preisgünstigerer Drucker kann entwickelt werden. Schließlich ist die Druckqualität verbessert, da der Drucckopf genauer darauf ausgelegt werden kann, bei einem gleichförmigen Druck zu arbeiten, der durch den Druckregler eingestellt ist. Der Druckkopf unterliegt keinen Druckänderungen aufgrund von Schwankungen des Pegels des Tintenvorrats.
Der Druckregler der vorliegenden Erfindung umfaßt einen Kleinstdruckregler von geringem Gewicht aus Kunststoff, der in einer Druckkassette (d. h. einer äußeren Verpackung, die den Druckkopf hält und stützt), die den Gegendruck (d. h. den leicht negativen Überdruck, bei dem die Tinte in dem Druckkopf gehalten wird, um sie am Ausfließen zu hindern) des Tintenstrahldruckkopfes auf einem konstanten Wert über der gesamten Bandbreite an Druckerausgabegeschwindigkeiten, der gesamten Bandbreite an Druckdichten und über der gesamten Bandbreite an Tintenreservoirdrücken hält. Der Druckregler weist ein Niedrigreibungsventil, eine Membran zum Ausüben einer Öffnungskraft auf das Ventil sowie, eine Feder, die eine Schließkraft auf das Ventil ausübt, auf. Das Niedrigreibungsventil weist eine Düse, einen Ventilsitz und einen Hebel oder eine andere Einrichtung für eine Niedrigreibungsbewegung des Ventilsitzes auf. Die vorliegende Erfindung überwindet die Abdichtungsprobleme von bisher verwendeten Rückschlagventilen durch Verwendung einer Düse mit einem sehr kleinen Innendurchmesser, der sehr hohe Abdichtungsdrücke ermöglicht. Die Kraft, die durch die Membran ausgeübt wird, wenn der Gegendruck gleich dem Sollwertdruck ist (d. h. dem gewünschten Wert des Gegendrucks, der eine Tinte am Auslaufen aus den Düsen hindert), und die Federkraft sind über fünfmal so hoch wie die maximale Kraft der Tinte in der Düse. Um einen ausreichenden Fluß zu liefern, kann bei der vorliegenden Erfindung absichtlich einen positiven Druck auf das Tintenreservoir ausgeübt werden, um einen ausreichenden Fluß in den Tintenstrahldruckkopf zu erreichen. Die vorliegende Erfindung kann den Gegendruck von Tintenstrahldruckköpfen, die entweder ein eingebautes Tintenreservoirsystem oder ein Außeraxial- Tintenreservoirsystem aufweisen, regulieren.
Der Druckregler der vorliegenden Erfindung hat viele Vorteile. Zudem, daß der Druckregler klein ist und eine geringe Masse aufweist, beseitigt er Probleme, die mit bis dato bekannten Außeraxialsystemen verbunden sind, so daß ein Hochleistungsdruckkopf ein Außeraxial-Tintenreservoir verwenden kann. Die sich ergebende Druckkassette ist klein und weist eine geringe Masse auf, so daß der Drucker, der diese Erfindung verkörpert, eine hohe Leistung bei einer kleinen Baueinheit aufweisen kann. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß, der Gegendruck des Tintenstrahldruckkopfes trotz einer Bewegung des Druckkopfes oder der Ausrichtung des Druckers konstant bleibt, so daß der Druckkopf bei jedem beliebigen Winkel oder jeder beliebigen Geschwindigkeit drucken kann. Zudem kann ein Tintenstrahldruckkopf bei der vorliegenden Erfindung einen konstanten, leicht negativen Gegendruck aufweisen, obwohl das Tintenreservoir mit Druck beaufschlagt ist, um die Zufuhr von Tinte zu verbessern. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in ihrer Unempfindlichkeit in bezug auf Änderungen von Druckerausgabegeschwindigkeiten, Änderungen der Druckdichte und Schwankungen des Drucks des Reservoirs. Ein weiterer Vorteil des Druckreglers ist seine geringe Größe, die eine Plazierung von mehreren Druckreglern auf einer Druckkassette erlaubt. Dies ermöglicht eine Konstruktion von kompakten Mehrfarben-Druckkassetten, die 2 bis 7 Farben (oder mehr) drucken und die Abmessungen von 5 cm · 2,5 cm · 0,5 cm (2" · 1" · 2") oder weniger aufweisen. Außerdem ermöglicht dies die Konstruktion von Druckkassetten, die Mehrkomponententinten, beispielsweise eine Pigmentkomponente und Stabilisierungskomponente verwenden, die aus verschiedenen Tintenstrahldruckköpfen ausgestoßen würden. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß eine Plazierung von vielen Druckreglern über eine Seitenbreite-Druckkassette hinweg dieselbe unempfindlich gegenüber Neigen machen. Bei einem mit Druck beaufschlagten Tintenzufuhrsystem kann ein Druckkopf unempfindlich gegenüber Ausrichtung sein, und eine Seitenbreite- Druckkassette kann in jeder beliebigen Ausrichtung angebracht sein - entweder horizontal, vertikal oder dazwischen. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß ein Tintenstrahldruckkopf von der Drucckassette entfernt werden kann, ohne das Tintenreservoir zu entladen oder zu trennen, da der Druckregler, der diesem Druckkopf zugeordnet ist, den Tintenfluß sperrt, wenn der Drucker gerade nicht verwendet wird. Ein weiterer Vorteil des Druckreglers ist seine Fähigkeit, den Gegendruck konstant zu halten, so daß der Druck keine Streifenbildung aufgrund von Punktgrößenvariationen entwickelt. Zudem ist der Druckregler kostengünstig.
Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung hervor, die in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen zu sehen ist, die beispielhaft die Prinzipien der Erfindung veranschaulichen. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht, bei der bestimmte Abschnitte weggeschnitten sind, einer Vorrichtung zum Zuführen von Tinte zu einem Druckkopf gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2A und 2B Explosionsansichten des bevorzugten Ausführungsbeispiels des Gegendruckreglers aus verschiedenen Perspektiven, wobei die Perspektive der Fig. 2A von der Seite und etwas oberhalb des Gegendruckreglers, und die Perspektive von Fig. 2B von unterhalb des Gegendruckreglers ist;
Fig. 3A, 3B und 3C die Düse und den Ventilsitz des Gegendruckreglers, der in den Fig. 1, 2A und 2B gezeigt ist;
Fig. 4 das Gelenk, das Membranmoment und das Düsenmoment des bevorzugten Ausführungsbeispiels des Gegendruckreglers;
Fig. 5 das in den Fig. 2A, 2B und 4 gezeigte Gelenk;
Fig. 6A und 6B ein alternatives Ausführungsbeispiel der Membran, das mehr Flexibilität und eine größere Bewegung ermöglicht;
Fig. 7 ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel der Membran;
Fig. 8A eine Draufsicht einer Seitenbreite-Druckkassette mit zahlreichen Tintenstrahldruckköpfen und Druckreglern, und 8B eine Draufsicht einer Zweifarben-Druckkassette und einer Druckkassette, die mit Mehrkomponententinten druckt;
Fig. 9 ein alternatives Ausführungsbeispiel des Gegendruckreglers mit einer vorgelagerten Düse und einem eingebauten Tintenreservoir;
Fig. 10 ein Rückschlagventil, das an dem Tintenreservoir mit einer vorgelagerten Düse eingebaut ist;
Fig. 11 eine Druckprobe, die durch einen Drucker, der die vorliegende Erfindung verkörpert, erzeugt wurde.
Wie in den Zeichnungen zu Veranschaulichungszwecken gezeigt, ist die Erfindung in einer Vorrichtung zum Zuführen von Tinte zu einem Druckkopf verkörpert. Die Tinte ist in einem Reservoir gespeichert, das entweder außeraxial und stationär bezüglich des Druckkopfs entfernt angebracht ist oder beweglich ist und "on board" in den Druckkopf eingebaut ist. Ein Druckregler empfängt Tinte von dem Tintenreservoir und führt Tinte bei einem Druck von ca. -0,5 kPa bis -0,75 kPa (minus zwei bis drei Zoll Wasser) dem Drucckopf zu.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 110 ein Tintenreservoir zum Speichern von Tinte bei einem Druck von zwischen -0,5 kPa (minus zwei Zoll (-2") Wasser) und einem Luftüberdruck. Das Reservoir ist durch eine Tintenrohrleitung 114 mit einer Druckkopfbaugruppe 112 verbunden. Die in Fig. 1 veranschaulichte Druckkopfbaugruppe ist gerade dabei, Tröpfchen 115 von Tinte auf ein Druckmedium 116 auszustoßen.
Unter Bezugnahme insbesondere auf Fig. 1 enthält das Tintenreservoir 110 einen verformbaren Beutel 118, der flüssige Tinte enthält, nicht gezeigt. Der verformbare Beutel ist durch einen Kolben 119 mit Druck beaufschlagt, der durch die Ausdehnung einer gewendelten Feder 120 nach unten gedrückt wird. Der Kolben 119 und die Feder 120 heben den Druck der Tinte auf einen Pegel an, der über dem durch Gravitationskraft erhaltenen Pegel liegt. Es werden typische Reservoirdrücke von etwa 6,89 kPa (ein Pfund pro Quadratzoll) ins Auge gefaßt, obwohl Betriebsdrücke eines hohen Pegels von 207 kPa (dreißig Pfund pro Quadratzoll) und eines niedrigen Pegels von -0,69 kPa (minus ein Zehntel von 1 Pfund pro Quadratzoll) erfolgreich getestet wurden. Das Reservoir 110 wird durch eine stationäre Halterung 121 lösbar in dem Drucker gehalten (nur teilweise gezeigt). Die stationäre Halterung für das Reservoir kann entweder auf das gleiche Niveau des Druckkopfes 10 oder über demselben oder unter demselben plaziert sein, wie es die Ausgestaltung des Druckers vorgeben mag.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist das Reservoir 110 durch eine Tintenrohrleitung 114, die zwei Rohrleitungsabschnitte 123 und 125 aufweist, mit der Druckkopfbaugruppe 112 verbunden. Die Rohrleitung weist einen kleinen Innendurchmesser und eine niedrige Dampfübertragungsrate auf, um die Diffusion von Wasser aus der Tinte in der Rohrleitung zu verringern. Die Tintenrohrleitung 114 umfaßt ferner eine mechanische Kupplung 132, die es dem Tintenreservoir 110 und dem Abschnitt 123 der Tintenrohrleitung ermöglicht, von der Druckkopfbaugruppe 112 und ihrer Rohrleitung 125 getrennt zu werden. Eine Trennung der Tintenrohrleitung und Entfernen des Reservoirs wird durch Schließen eines Absperrventils 133, das während des Betriebs normalerweise offen ist, bewerkstelligt.
Die Druckkopfbaugruppe 112, Fig. 1, weist im allgemeinen einen in den Fig. 2A, 2B und 3A veranschaulichten Gegendruckregler 20 sowie einen Tintenstrahldruckkopf 46 und eine zugehörige Düsenplatte 48, die in Fig. 2A veranschaulicht sind, auf. Der Druckregler 20 empfängt mit Druck beaufschlagte Tinte von dem Reservoir und führt die Tinte dem Druckkopf bei einem Druck von ca. 0,5 kPa bis 0,75 kPa (zwei bis drei Zoll Wasser) unterhalb des atmosphärischen Drucks zu. Der Druckkopf (in Fig. 1 nicht gezeigt) ist bei dem Vorgang des Ausstoßens von Tröpfchen 115 von Tinte auf ein Druckmedium 116, beispielsweise Papier, dargestellt. Die Druckkopfbaugruppe 112 ist in einem beweglichen Wagen 136 lösbar gehalten. Der bewegliche Wagen gleitet seitlich an einer Führungsschiene 137 entlang. Die Führungsschiene ist in dem Drucker starr angebracht. Der bewegliche Wagen wird durch einen Antriebsmotor 138, eine Rolle 140 und einen Verbindungsantriebsriemen 141 seitlich verschoben. Der Antriebsmotor bewirkt, daß sich die Druckkopfbaugruppe 112 Band für Band seitlich über das Druckmedium 116 hinweg bewegt. Bei Abschluß jedes Bandes wird das Druckmedium durch zwei Papiervorschubrollen 143 schrittweise vorwärtsbewegt, so daß die Bänder nacheinander Zeile für Zeile auf dem Druckmedium abgelegt werden.
Fig. 2A und B zeigen eine Draufsicht des bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Kleinstgegendruckreglers 20 von geringem Gewicht für Tintenstrahldruckköpfe, der in eine Druckkassette paßt und über die gesamte Bandbreite an Druckerausgabegeschwindigkeiten, die gesamte Bandbreite an Änderungen der Druckerausgabegeschwindigkeiten, die gesamte Bandbreite an Druckdichten, die gesamte Bandbreite an Änderungen der Druckdichte sowie die gesamte Bandbreite an Tintenreservoirdrücken einen konstanten Gegendruck beibehält. Fig. 2A und B zeigen eine Membran 22, ein oberes Gehäuse 24, ein unteres Gehäuse 26 und einen Tintenreservoirschlauch 28. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung betragen die Gesamtabmessungen des Reglers weniger als 1,5 cm · 2,0 cm · 0,5 cm (0,6" · 0,8" · 0,2"). Es können auch Versionen von nur 0,75 cm · 0,75 cm · 0,25 cm (0,3" · 0,3" · 0,1"), und möglicherweise kleiner, gebaut werden. Ein Gegendruckregler für Tintenstrahldruckköpfe, der andere Abmessungen aufweist, würde von dem Schutzbereich der Erfindung nicht abweichen.
Fig. 2A und 2B zeigen Explosionsansichten des Gegendruckreglers 20 aus zwei verschiedenen Winkeln. Die Trennung des oberen Gehäuses 24 und des unteren Gehäuses 26 macht einen Hebel 38 mit einem Gelenk 40 sichtbar, der einen Membrankolben 32 und einen Ventilsitz 34 trägt. Die Ausrichtung des Ventilsitzes 34 erlaubt es demselben, den Tintenfluß durch eine Düse 54, die Tinte von dem Tintenreservoirschlauch 28 empfängt, zu sperren. (Siehe Fig. 3A.) Die Membran 22 und die Tinte in der Düse 54 drücken nach unten auf den Hebel 38 und drücken den Ventilsitz 34 weg von der Düse 54. Eine Feder 36 in dem unteren Gehäuse 26 drückt den Hebel 38 nach oben und drückt den Ventilsitz 34 auf die Düse 54 zu. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Gegendruckregler 20 an einem Tintenstrahldruckkopf 46 befestigt, und Tinte bewegt sich durch einen Tintenzufuhrschlitz 44 von dem unteren Gehäuse 26 zu dem Tintenstrahldruckkopf 46.
Das bevorzugte Ausführungsbeispiel des Gegendruckreglers 20 steuert den Gegendruck des Druckkopfes 46 durch Steuern des Tintenflusses in den Druckkopf 46 von einem Außeraxial- Tintenreservoir, das an dem Regler 20 befestigt ist, durch den Tintenreservoirschlauch 28. Normalerweise ist der Tintenfluß in den Druckkopf 46 gesperrt. Wenn der Gegendruck des Tintenstrahldruckkopfes 46 geringer ist als der Sollwertgegendruck, der bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel -0,5 kPa (-2" Wasser) beträgt, übt die Membran 22 eine nach unten gerichtete Kraft auf den Membrankolben 32 aus, die größer als die nach oben gerichtete Kraft der Feder 36 und bewirkt, daß sich der Membrankolben 32, der Hebel 38 und der Ventilsitz 34 nach unten drehen. Wenn sich der Ventilsitz 34 nach unten dreht, bewegt er sich weg von der Düse 54 und ermöglicht einer Tinte, durch dieselbe hindurch und in das untere Gehäuse 2C zu fließen. Wenn der Gegendruck des Tintenstrahldruckkopfes 46 den Sollwertdruck übersteigt, übersteigt die Größe der von der Feder 36 ausgeübten Kraft die Größe der von der Membran 22 und der Tinte in der Düse 54 ausgeübten Kraft. Dies bewirkt, daß sich der Ventilsitz 34 nach oben dreht und den Tintenfluß durch die Düse 54 sperrt.
Eine Membranabdeckung 30 schützt die Membran 22. Ein Vorbereitungsloch 52 durch die Membranabdeckung 30 ermöglicht es, den Regler 20 vorzubereiten, indem Luft auf die Membran 22 geblasen wird, um sie abzulenken, und ermöglicht es, daß Luft frei zu der Membran strömt. Hebelabstandshalter 42 halten den Hebel 38 fern von dem Gehäuse.
Die Membranabdeckung 30, das obere Gehäuse 24, das untere Gehäuse 26, der Membrankolben 32, der Hebel 38 und die Düse 34 sind aus preisgünstigen Materialien von geringem Gewicht (z. B. Thermoplasten) hergestellt, die über einen preisgünstigen Herstellungsprozeß (z. B. Spritzgießen) mit Tintenstrahldruckertinten kompatibel sind. Das Gewicht des Hebels 38 und des Membrankolbens 32 beträgt zusammen idealerweise weniger als 10% der maximalen Membrankraft. Idealerweise weist die Kombination aus Hebel/Membrankolben in Tinte einen neutralen Auftrieb auf, um ausrichtungsabhängige Kräfte von Gewicht oder Auftrieb zu minimieren. Der Ventilsitz 34 ist aus einem weichen elastischen Material (z. B. Silikongummi) hergestellt, so daß es eine auslauffreie Abdichtung mit der Düse 54 bildet. Die Feder 36 würde am besten aus Edelstahl oder geformtem Kunststoff hergestellt.
Fig. 3A zeigt einen Querschnitt des Gegendruckreglers 20, der die Düse 54 und den Ventilsitz 34 umfaßt. Bei Fig. 3A hat der Ventilsitz 34 den Tintenfluß von der Düse 54 gesperrt. Wenn die Membran 22 den Hebel 38 zum Drehen bringt, bewegt sich der Ventilsitz 34 weg von der Düse 54, und es fließt Tinte in das untere Gehäuse 26 und durch den Tintenschlitz 44 in den Druckkopf 46. Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß der Ventilsitz keinerlei Gleitreibung erfährt, wenn er sich bewegt. Dies ermöglicht es dem Ventilsitz 34, auf kleine Änderungen des Gegendrucks zu reagieren. Außerdem ist nirgendwo in dem Druckregleraufbau eine Gleitreibung vorhanden. Dies hat den Vorteil, daß unvorhersehbare Kräfte, die eine genaue Druckregelung verschlechtern würden, minimiert werden. (Fig. 1, 2 und 3A zeigen einen Regler mit einem in Flußrichtung nachgelagerten Ventil (d. h. die Düse befindet sich an der Hochdruckseite), Druckregler können mit vorgelagerten Düsen, wie der in Fig. 9 gezeigten, oder mit Düsen hergestellt werden, die Gleitventilsitze aufweisen. Der Schutzbereich der Erfindung umfaßt jeden Typ von Mechanismus, der den Tintenfluß sperren kann. Die Patentansprüche und die Beschreibung verwenden die Worte Düse und Ventilsitz zu Veranschaulichungszwecken und nicht zu Einschränkungszwecken. Der Begriff Düse umfaßt Tintenrohrleitungen beliebiger Form, und Ventilsitz umfaßt jeden Typ von Vorrichtung, der den Tintenfluß durch eine Tintenrohrleitung sperren kann.)
Die durch die Feder 36 ausgeübte Kraft, FS, drückt nach oben auf den Hebel 38, und die durch die Membran 22 ausgeübte Kraft, FDia, die durch die Tinte in der Düse 54 ausgeübte Kraft, FNoZZ sowie die Abdichtkraft des Ventils, Fseai, drücken nach unten auf den Hebel 38. (Die Begriffe nach oben und nach unten werden lediglich aus Zweckmäßigkeitsgründen verwendet, der Druckregler kann in jeder beliebigen Ausrichtung arbeiten.) Bei dem Sollwertgegendruck ist die Größe der durch die Membran 22 ausgeübten Kraft plus der Größe der durch Tinte in der Düse 54 ausgeübten Kraft plus der Abdichtkraft gleich der Größe der durch die Feder 36 ausgeübten Kraft:
Fs = FDia + FNozz +FSeal (1)
So lange Fs größer ist als FDia Plus FNozz plus Fseai, bleibt das Ventil geschlossen. Wenn der Gegendruck dem Sollwertgegendruck gleich ist, berührt der Ventilsitz 34 die Düse 54, übt jedoch keine Kraft auf dieselbe aus. Wenn der Gegendruck wieder abnimmt, dann Fg < FDia + FNozz + FSeal, und der Ventilsitz 34 bewegt sich weg von der Düse 54, und eine Tinte fließt in das untere Gehäuse 26.
Bei einem Außeraxial-Tintenreservoirsystem muß das Tintenreservoir im allgemeinen mit Druck beaufschlagt sein, um eine Tinte zu dem Regler 20 und durch die Düse 54 zu treiben. Wenn der Druck in dem Tintenreservoir nicht reguliert ist, wie bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, variiert der Druck der Tinte in der Düse 54 mit dem Tintenvolumen in dem Tintenreservoir. Manchmal kann dieser Druck von ca. 103 kPa (15 psi) auf etwas über 0 kPa (0 psi) variieren.
Die durch eine Tinte in Düse 54 ausgeübte Kraft ist gleich:
wobei DNozz gleich dem Innendurchmesser der Düse 54 und PSI gleich dem Druck der Tinte in der Düse 54 ist. Wenn der Tintenreservoirdruck variiert, variiert die durch die Tinte in der Düse 54 ausgeübte Kraft. Diese Druckvariation kann bewirken, daß sich das Ventil (d. h. der Ventilsitz 34 und die Düse 54) bei einem Gegendruck öffnet, der nicht dem Sollwertdruck entspricht, wenn die Größe von FNOZZ nahe der Größe der durch die Membran 22 bei dem Sollwertgegendruck ausgeübten Kraft ist. Um dies zu verhindern, muß die durch die Membran 22 bei dem Sollwertgegendruck ausgeübte Kraft viel größer sein als die maximale Kraft der Tinte in der Düse 54. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sollte die bei dem Sollwertdruck durch die Membran ausgeübte Kraft, FDia, mindestens fünfmal größer sein als die maximale Kraft der Tinte in der Düse 54 (wenn die Hebelübersetzung eins ist), um unter allen Bedingungen eine gute Abdichtung zu liefern. Dieses Kraftvielfache wird als das "Überkraftverhältnis" bezeichnet. Hohe Überkraftverhältnisse führen zu genauer Druckregelung und somit zu einem konstanten Gegendruck. Der Gegendruck ist dann gleich dem Sollwertgegendruck plus einer Abweichung, PSPP ± (PSpp/OF). Für das bevorzugte Ausführungsbeispiel ist OF - 50, und PSPP = -0,5 kPa (-2"), so daß der Gegendruck ungefähr konstant bleiben würde, genauer gesagt wäre er gleich -0,5 kPa ± 100 Pa (-2" ± 0,04"). Jedoch kann OF auch nur 5 betragen.
Fig. 38 zeigt, daß die Düse 54 eine Verjüngung zu einem kleinen Außenradius aufweist, um die Abdichtdrücke zu maximieren. Vorzugsweise sollte die Fläche einer Dichtung 57, in Fig. 3C gezeigt, weniger als eine Hälfte der Fläche der Bohrung 55 der Düse 54 betragen. (Hinweis: Die relativen Abmessungen der Dichtung 57 und der Bohrung 55 in Fig. 3B und 3C sind ungenau.)
Feder 36, in Fig. 2A und 2B gezeigt, übt eine Kraft auf den Hebel 38 aus, die gleich der Kraft ist, die durch die Membran 22 ausgeübt wird, wenn der Gegendruck gleich dem Sollwertgegendruck ist. Wenn der Sollwertgegendruck gleich -0,5 kPa (minus 2" Wasser) ist, dann ist die durch die Feder 36 ausgeübte Kraft gleich dem Produkt von -0,5 kPa (minus 2" Wasser) und der Fläche der Membran 22. Diese Berechnung geht von einem Überkraftverhältnis von mehr als 20 aus, so daß die Kraft der Tinte in der Düse 54 vernachlässigbar ist.
Eine Vorspannungsdurchbiegung der Feder 36 erzeugt die Kraft, die durch die Feder 36 ausgeübt wird, wenn der Ventilsitz 34 auf der Düse 54 sitzt. Wenn die Membran 22 den Ventilsitz 34 von der Düse 54 wegschiebt, erhöht sich die Durchbiegung der Feder 36, und die durch die Feder 36 ausgeübte Kraft erhöht sich. um den Druckregler 20 sehr empfindlich bezüglich leichten Änderungen des Gegendrucks ausführen, sollte die Vorspannungsdurchbiegung der Feder 36 viel größer sein als die zusätzliche Durchbiegung der Feder 36, wenn sich der Ventilsitz 34 von der Düse 54 wegbewegt. Der Ventilsitz 34 sollte sich weit genug von der Düse 54 wegbewegen, um es der maximalen Durchflußgeschwindigkeit des Tintenstroms (d. h. die maximale Durchflußgeschwindigkeit tritt während eines Schwärzungs-Druckens auf) zu ermöglichen, durch die Düse 54 zu gelangen. Im allgemeinen übersteigt diese Entfernung den Radius der Düse 54. Wenn der Gegendruck etwas unter den Sollwertgegendruck abfällt, wie z. B. -0,525 kPa (minus 2,1"), bewegt sich der Ventilsitz 34 weit genug von der Düse 54 weg, um der Düse 54 zu ermöglichen, die maximale Durchflußgeschwindigkeit des Tintenstroms zu tragen.
Wenn der Tintenstrahldrucker nicht in Betrieb ist, liegt der Druck der Tinte in dem Tintenstrahldruckkopf 46 bei - 0,5 kPa (-2"), und die Membran 22 biegt sich nicht durch. Die gesamte Kraft der Feder 36 drückt den Ventilsitz 34 gegen die Düse 54. Wie in einem vorhergehenden Absatz beschrieben, ist diese Kraft gleich der durch die Membran 22 bei dem Sollwertgegendruck ausgeübten Kraft, und sie ist in der Regel fünfmal (bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel fünfzigmal) so hoch wie die maximale Kraft, die durch den Tintenstrom in der Düse 54 ausgeübt wird. Das große Überkraftverhältnis zwischen der Feder und dem Tintenstrom in der Düse 54 verhindert, daß der Druckregler ein Leck aufweist, wenn der Drucker abgeschaltet ist.
Das Überkrafterfordernis und der große Unterschied zwischen dem Tintenreservoirdruck und dem Gegendruck bewirken, daß die Membran 22 relativ groß ist. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung beträgt der Sollwertgegendruck -0,5 kPa (-2" Wasser), und der Druck von Tinte in der Düse 54 kann 13,5 kPa (zwei psi oder 54 Zoll Wasser) betragen, und er könnte viel größer sein. Wenn die durch die Membran 22 erzeugte Kraft direkt auf den Ventilsitz ausgeübt würde, muß die Größe der Membran, auf die die -0,5 kPa (-2" Wasser) wirken, sehr groß sein, um eine Kraft zu erzeugen, die 20- bis 40-mal größer ist als die Kraft, die durch die 13,5 kPa (54" Wasser) in Düse 54 erzeugt wird.
Die Membran 22 ist das größte Element in dem Regler 20, und sie bestimmt die Größe des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Eine Art und Weise, die Größe der Membran 22 zu verringern und gleichzeitig ein Überkraftverhältnis beizubehalten, das größer ist als 20, besteht darin, den Innendurchmesser der Düse 54 zu verringern. Der Innendurchmesser der Düse 54 muß jedoch groß genug sein, um eine Tinte unter den extremsten Bedingungen durchzulassen. Dies tritt ein, wenn die Durchflußgeschwindigkeit des Tintenstroms gleich der maximalen Durchflußgeschwindigkeit ist und der Tintenreservoirdruck seinen Minimalwert aufweist. Die maximale Durchflußgeschwindigkeit tritt während des Schwärzungs-Druckmodus auf (d. h. der Drucker überzieht die Seite mit Tinte, indem er die maximale Anzahl an Tropfen ausstößt). Die unten abgeleitete Gleichung gibt den Innendurchmesser der Düse 54 als eine Funktion des über derselben vorliegenden Druckabfalls und des Tintenflusses wieder. Der Durchfluß durch die Düse 54 wird hauptsächlich durch den Abfall des kinetischen Drucks begrenzt, jedoch ist der Ausdruck, der einen Abfall einer viskosen Reibung abdeckt, eingeschlossen.
Δρgesamt = Δρkinetisch + Δρviskose Reibung (3) wobei ΔPgesamt der Druckabfall an der Düse 54 ist. Der Ausdruck bezüglich eines Abfalls eines kinetischen Drucks lautet:
Δρkinetisch = ρν²/2 (4)
wobei ρ die Dichte der Tinte und v die mittlere Durchflußgeschwindigkeit der Tinte ist, die unten ferner definiert ist als die volumetrische Durchflußgeschwindigkeit dividiert durch die Querschnittsfläche der Düse 54:
ν = Q*4/p (5)
daher
Das Poiseuillesche Widerstandsgesetz definiert den Druckabfall aufgrund von viskoser Reibung. Wobei L die Länge der Düse 54 und u die Tintenviskosität ist:
ΔρReibung = 32uLν/
Deshalb
Folglich
Um den minimalen Innendurchmesser der Düse 54 zu berechnen, setze Q gleich der maximalen volumetrischen Durchflußgeschwindigkeit, QMax, und setze ΔPGesamt gleich dem minimalen Druckabfall an der Düse 54, der dem minimalen Druck der Tinte in der Düse 54 gleicht, PSLIOW plus dem Sollwertgegendruck, PSLlow + P~' pSPP- Somit lautet der minimale Innendurchmesser der Düse, DNOZZ.min.
Die maximale Kraft, die die Tinte in der Düse 54 erzeugen kann, ist:
wobei PSLHI der maximale Druck in der Düse 54 ist. Die durch die Membran 22 ausgeübte Kraft mal dem Hebelübersetzungsfaktor Lev muß gleich FNOZZ. Max mal OF, der Überkraft, sein, wie unten gezeigt:
wobei DDia der Durchmesser der Membran ist, Lev die Hebelübersetzung der Membran ist und PSPP der Sollwertgegendruck ist.
Um den minimalen Durchmesser der Membran zu erhalten, löse Gleichung (13) nach DDia auf, ersetze die Variable DHOZZ durch DNOZZ. Mmr das durch die Gleichung (11) definiert ist, und ersetze die Werte von OF, PSLHI, Lev und PSPP, die für das bevorzugte Ausführungsbeispiel gewählt sind. Die sich ergebende Gleichung lautet:
Eine andere Art und Weise, die Größe der Membran 22 zu verringern, besteht darin, den Hebel 38 oder eine beliebige andere Einrichtung, die einen mechanischen Vorteil liefert - einschließlich Nocken und Verbindungen - zu verwenden. Je höher der mechanische Vorteil ist, desto besser, so lange die sich ergebende Einrichtung mit den Toleranzen des Systems in Einklang steht.
Fig. 4 ist eine Draufsicht des Druckreglers 20 und zeigt die relative Position einer Gelenklinie 56, eines Ventilsitzmomentenarms 58 und eines Membranmomentenarms 60. Der Membranmomentenarm 60 ist größer als der Ventilsitzmomentenarm 58, so daß die Kraft der Membran 22 auf dem Ventilsitz 54 eine größere Hebelübersetzung als eins aufweist. Ein Erhöhen der Länge des Hebels 38 weist den Vorteil des Verringerns der Größenanforderung der Membran 22 auf. Die verschiedenen in dieser Anmeldung erörterten Ausführungsbeispiele weisen Hebelübersetzungsverhältnisse zwischen 1 und 5 auf, jedoch sind andere Verhältnisse, beispielsweise 0,5, und andere Konfigurationen des Hebels 38 möglich und weichen nicht von dem Schutzbereich der Erfindung ab. Fig. 4 zeigt ferner, daß die Richtung der Druckkopfbewegung und Beschleunigung 62 parallel zu der Achse des Gelenks 40 und parallel zu einer Senkrechten einer Senkrechten der oberen Oberfläche des Hebels 38 verläuft.
Fig. 5 zeigt das Biegungsgelenk 40, das durch Fräsen einer Kerbe in den Hebel 38 gebildet ist. Das Biegungsgelenk 40 weist den Vorteil auf, daß es sich bei minimaler Reibung biegt, ohne sich zu verdrehen. Wenn sich das Gelenk 40 des Hebels 38 verdreht, so verdreht sich der Hebel 38, und der Ventilsitz 34 richtet sich nicht auf die Düse 54 auf eine Weise aus, um sie mit der maximalen Kraft abzudichten. Das Biegungsgelenk ist elastisch, und der Schutzbereich der Erfindung umfaßt eine Verwendung der elastischen Kräfte in dem Gelenk als die Federkraft, die den Ventilsitz gegen die Düse drückt. Der Schutzbereich der Erfindung umfaßt andere Niedrigreibungsgelenke, wie beispielsweise Rollgelenke sowie Kegel- und Punktgelenke.
Fig. 11 ist eine Druckprobe, die von einem Drucker unter Verwendung eines Druckreglers mit den folgenden Spezifikationen produziert wurde: der Durchmesser der Membran 22, Dia, ist gleich 1, 58 cm (0, 625"); der Durchmesser des Membrankolbens beträgt 1,27 cm (0,5"); die Hebelübersetzung, Lev, ist gleich 3; die Überkraft, OF, ist 42 bei dem maximalen Versorgungsdruck; der Innendurchmesser der Düse 54, DNozz, ist gleich 0,51 mm (20/1000"); der maximale Durchfluß der Tinte, Qmax, beträgt 0,2 cc/Sek.; die Länge der Düse 54, L, ist gleich 0,13 cm (0,05"); die Tintenviskosität, u, ist gleich 0,003 Ns/cm² (0,03 Poise); und die Dichte der Tinte, p, ist gleich 1 gm/cc. Der Tintenreservoirdruck variiert zwischen 0 und 13,8 kPa (0 und 2 psi), und der Sollwertgegendruck ist gleich -0,5 kPa (-2" Wasser).
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel des Druckreglers ist der Durchmesser der Membran 22, DDia, gleich 0,95 cm (0,375"), der Durchmesser des Membrankolbens gleich 0,76 cm (0,3"), die Hebelübersetzung, Lev, ist gleich 3, die Überkraft, OF, ist gleich 108 bei dem maximalen Tintenreservoirdruck von 17,2 kPa (2,5 psi); der maximale Durchfluß der Tinte, QmaX, beträgt 0,2 cc/Sek., der Innendurchmesser der Düse 54, DNozz, ist gleich 0, 3 mm (12/1000"), die Länge der Düse 54, L, ist gleich 0, 13 cm (0, 05"), die Tintenviskosität ist gleich 0,003 Ns/cm² (0,03 Poise), die Dichte der Tinte, p, ist gleich 1 gm/cc; und der minimale Versorgungsdruck beträgt 3,44 kPa (0,5 psi).
Die untenstehende Tabelle gibt alternative Ausführungsparameter an. Die Parameter der Tabelle 1 stellen den Referenzfall dar, und bei jeder der Tabellen 2 bis 5 variiert lediglich einer dieser Parameter. Die nachstehenden Tabellen 1 bis 5 geben ferner den Innendurchmesser der Düse, DNOZZ, eines jeden Werts von PSLLOW an. Für Tabelle 1 beträgt der maximale Druck in der Düse 54, PsLHI, 17, 2 kPa (2, 5 psi), der Überdruck, OF, bei PsLH = beträgt 50; der Sollwertgegendruck, Pgpp, beträgt -0,5 kPa (-2" Wasser), der maximale Durchfluß der Tinte, Qmaxr beträgt 0,2 cc/Sek.; die Länge der Düse 54, L, ist gleich 0, 13 cm (0, 05"), die Tintenviskosität ist gleich 0,003 NS/cm² (0,03 Poise), und die Dichte der Tinte, p, ist gleich 1 gm/cc. TABELLE 1 ZU MEMBRANDURCHMESSERN (in Zentimetern (Zoll))
Tabelle 2 gibt den Membrandurchmesser, DDia, (in Zentimetern (Zoll)) als eine Funktion der Hebelübersetzung, Lev, und PSLLOW an, wenn der Sollwertgegendruck von -0,5 kPa auf - 0,75 kPa (-2" Wasser zu -3" Wasser) geändert wird und alle anderen Parameter gleich bleiben. TABELLE 2 ZU MEMBRANDURCHMESSERN (in Zentimetern (Zoll))
Tabelle 3 gibt den Membrandurchmesser, DDia, (in Zentimetern (Zoll)) als eine Funktion der Hebelübersetzung, Lev, und PSLLOW an, wenn der Sollwertgegendruck wieder zu -0,5 kPa (-2" Wasser) geändert wird, die Viskosität von 0,003 Ns/cm² auf 0,001 Ns/cm² (0,03 Poise auf 0,01 Poise) geändert wird und alle anderen Parameter gleich bleiben. TABELLE 3 ZU MEMBRANDURCHMESSERN (in Zentimetern (Zoll))
Tabelle 4 gibt den Membrandurchmesser, DDia, (in Zentimetern (Zoll)) als eine Funktion der Hebelübersetzung, LeV, und PsLLOW an, wenn die Viskosität wieder zu 0, 003 Ns/cm² (0, 03 Poise) geändert wird und die Länge der Düse von 0,13 cm auf 0,25 cm (0,05" zu 0,1") geändert wird und alle anderen Parameter unverändert bleiben. TABELLE 4 ZU MEMBRANDURCHMESSERN (in Zentimetern (Zoll))
Tabelle 5 gibt den Membrandurchmesser, DDia, (in Zentimetern (Zoll)) als eine Funktion der Hebelübersetzung, Lev, und PSLLOW an, wenn die Länge der Düse wieder zu 0,13 cm (0,05") geändert wird und die volumetrische Durchflußgeschwindigkeit von 0,2 cc/Sek. auf 0,02 cc/Sek. geändert wird und alle anderen Parameter unverändert bleiben. TABELLE 5 ZU MEMBRANDURCHMESSERN (in Zentimetern (Zoll))
Die Membran 22 sollte an dem oberen Gehäuse 24 befestigt sein, so daß dieselbe schlaff ist. Wenn sich das Material dehnt, verringert die Spannung in der Membran 22 das Ausmaß der Biegung. Das Material könnte geklammert, geklebt, kunststoffgeschweißt oder auf eine beliebige andere Weise befestigt sein, um es physisch an Ort und Stelle zu halten.
Die Durchbiegung einer elastischen Membran 22 bei 0 Anfangsspannung kann errechnet werden aus:
DrucK = (E*(Durchbiegung)³*Dicke)/(Radius)&sup4; (15)
wobei der Druck der Druckunterschied über die Membran 22 hinweg ist, E das Elastizitätsmodul des Membranmaterials ist, Dicke die Dicke des Membranmaterials ist und Radius der der Membran 22 ist. Die maximale Durchbiegung der Membran 22 tritt auf, wenn der Gegendruck gleich dem Sollwertgegendruck ist und der Druckunterschied über die Membran 22 hinweg gleich dem Sollwertgegendruck - atmosphärischer Druck ist. Wenn sich der Radius der Membran 22 nicht verändert, sind Dicke und E diejenigen des gewählten Membranmaterials. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Membran 22 eine große Durchbiegung auf, denn je größer die Durchbiegung ist, desto höher kann bei einer gegebenen Toleranz bezüglich Gelenk, Ventilsitz, Hebeldicke und Spielraum die Hebelübersetzung sein.
Alternative Ausführungsbeispiele der Membran 22, die aus schlaffem (z. B. gewelltem), unelastischem Kunststoffilm hergestellt sind, gehorchen nicht der Gleichung (15), und die gesamte Kraft, die auf diese Membranen ausgeübt wird, geht auf den Hebel 38 über. Diese unelastischen Membranen biegen sich durch, aber dehnen sich nicht, um den Hebel 38 zu bewegen. Ein Vorteil von Kunststoffmembranen gegenüber Gummimembranen ist ihre Fähigkeit, bei dem Vorliegen von Tinte chemisch träge zu bleiben.
Fig. 6A ist eine Seitenansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels der Membran, das einen gewellten Querschnitt aufweist und flexibel ist. Fig. 6B ist eine Draufsicht der in Fig. 6A gezeigten Membran 120. Fig. 7 zeigt ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel, eine Balgmembran 140. Idealerweise weisen eine gewellte Membran 120 und eine Balgmembran 140 einen sehr geringen Durchbiegungswiderstand und ausreichend Durchbiegung auf, um den Hebel 38 (oder eine beliebige andere Einrichtung, die einen mechanischen Vorteil liefert) zu bewegen, so daß sich der Ventilsitz 34, in Fig. 2A gezeigt, von einem starken Sitz auf Düse 54 in Fig. 2B zu einem Abstand von einem Düsenradius von der Düse 54 wegbewegen kann, so daß der Ventilsitz 34 den Fluß von Tinte aus der Düse 54 nicht behindert.
Fig. 8A zeigt eine Seitenbreite-Druckkassette 160, die zahlreiche Tintenstrahldruckköpfe 164 aufweist, die über sie hinweg positioniert sind. Fig. 8B zeigt eine Druckkassette 170 zum Drucken mit Mehrkomponententinten oder Tinten zweier verschiedener Farben. (Alternative Ausführungsbeispiele der Druckkassette könnten mehr Druckköpfe und Druckregler zum Drucken mit mehr Farben oder Tinten mit mehr Komponenten umfassen.) Bei beiden dieser Druckkassetten weist jeder Tintenstrahldruckkopf 164 einen Druckregler 162 auf, der demselben zugeordnet ist. Diese Konfiguration ermöglicht es der Druckkassette 160, 170, in einem beliebigen Winkel geneigt zu sein, da die zahlreichen Druckregler 162 eine Bildung von langen Tintensäulen verhindern, die bewirken, daß der Gegendruck der verschiedenen Tintenstrahldruckköpfe 164 mit ihrer Position an der Druckkassette 160, 170 variiert. Wenn ein Druckregler 162 äile 2,54 cm (1") vorgesehen ist, könnte die Druckkassette 160 in der vertikalen Position drucken.
Ein weiterer Vorteil dabei, einen Druckregler 162 für jeden Tintenstrahldruckkopf 164 zu haben, besteht darin, daß ein oder mehrere Druckköpfe ersetzt werden können, ohne die Notwendigkeit, Tinte aus dem System abzuführen und das System daraufhin mit Tinte wiederaufzufüllen, nachdem der Druckkopf 164 ersetzt wurde. Der Druckregler 162 sperrt den Tintenfluß aus der Düse 54, in Fig. 2B gezeigt, wenn der Druckkopf 164 entnommen wird, weil statt eines Gegendrucks, der eine Membran 166 zum Durchbiegen zwingt, ein atmosphärischer Druck vorliegt. Die Membran 166 biegt sich überhaupt nicht durch, und die gesamte Kraft der Feder 36 in Fig. 2A drückt den Ventilsitz 34 gewaltsam gegen die Düse 54.
Fig. 9 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung, das ein Druckregler 80 mit einer vorgelagerten Düse 88 ist, die in einer Druckkassette 96 positioniert ist, die ein eingebautes Tintenreservoir aufweist, das in Tintenblasen 92, 100 eingeschlossen ist. Eine Lüftungsöffnung 86 setzt eine Seite einer Membran/Basisfläche 90 einem atmosphärischen Druck aus. Die andere Seite der Membran/Basisfläche 90 ist dem Gegendruck eines Tintenstrahldruckkopfes 98 ausgesetzt. Eine Feder 82 ist eingestellt, um einer Ventilspindel 84 zu ermöglichen, sich von einer Düse 88 wegzubewegen, wenn der Gegendruck des Tintenstrahldruckkopfes 98 geringer ist als der Sollwertgegendruck (z. B. -0,5 kPa, -2" Wasser). Wenn der Gegendruck des Tintenstrahldruckkopfes 98 geringer ist als der Sollwertdruck, übt die Membran/Basis 90 eine Kraft aus, die die durch die Feder 82 ausgeübte Kraft übersteigt und die Ventilspindel 84 von der Düse 88 wegschiebt, was einer Flüssigkeit ermöglicht, von der Blase 92 zu der Blase 100 des Tintenstrahldruckkopfes 98 zu fließen und den Gegendruck des Druckkopfes 98 anzuheben. Der Schutzbereich der Erfindung umfaßt Ausführungsbeispiele mit einem Hebel oder einer anderen Einrichtung für einen mechanischen Vorteil, falls eine kleinere Membran erwünscht ist.
Vorgelagerte Ventile weisen den Vorteil auf, daß die durch das Tintenreservoir auf die Ventilspindel ausgeübte Kraft die Ventilspindel gegen die Düse preßt und dazu beiträgt, Lecks zu verhindern. Bei nachgelagerten Ventilen drückt die durch das Tintenreservoir auf den Ventilsitz ausgeübte Kraft den Ventilsitz von der Düse weg und bewirkt, daß das Ventil undicht ist. Der Vorteil von nachgelagerten Ventilen gegenüber vorgelagerten Ventilen besteht darin, daß sie reibungsloser funktionieren und nicht rattern.
Fig. 10 zeigt ein vorgelagertes Rückschlagventil 102, das in ein separates (off-board) Tintenreservoir 104 eingebaut ist. Das separate Tintenreservoir 104 verwendet das Rückschlagventil 102 und einen Federbeutel, der aus einer Feder 106 und einem Beutel 108 besteht, um den Gegendruck eines Tintenstrahldruckkopfes zu steuern, der nicht gezeigt ist, aber durch einen Schlauch 110 mit dem Tintenreservoir 104 verbunden ist. Das System scheint in Form und Funktion fast identisch mit den derzeit bei Tintenstrahldruckkopfkassetten verwendeten Federbeuteln zu sein, wobei der Unter chied darin liegt, daß der Federbeutel 106/108 mit einem Rückschlagventil 102 verwendet wird, das den Pegel des Gegendrucks überwacht. Dieses Rückschlagventil regelt keinen Druck; es subtrahiert Druck von einem Referenzwert.
Bei Beginn einer Tintenextraktion liefert der Federbeutel 106/108 den nötigen Gegendruck. Während Tinte extrahiert wird, verringert sich der Gegendruck, und die Feder 106 drückt das Rückschlagventil 102 zusammen und aktiviert es. Wenn das Rückschlagventil 102 aktiviert ist, fließt eine Tinte bei Umgebungsdruck in den Federbeutel 106, 108, bis der Druckabfall an dem Rückschlagventil 102 gleich dem Sollwert ist, der bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel auftritt, wenn der Gegendruck gleich -0,5 kPa (-2" Wasser) ist. Ein Vorteil dieses Systems ist die viel größere Abdichtkraft des vorgelagerten Rückschlagventils 102. Da sich das Rückschlagventil 102 in dem Tintenreservoir statt in dem Druckkopf befindet, kann der Federbeutel 106/108 sehr groß sein und somit eine große Kraft erzeugen, wenn der Gegendruck unter den SolTwertdruck abfällt. Da der Federbeutel 106/108 eine große Kraft erzeugen kann, kann auch die Kraft, die das Rückschlagventil 102 abdichtet, sehr groß sein. Um das vorgelagerte Rückschlagventil 102 zu öffnen, beträgt die Oberfläche des Federbeutels 106/108 bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel 60 · 60 mm. Bei einem Gegendruck von -0,75 kPa (-3") würde diese geometrische Anordnung 0,6 lbs an Kraft liefern, um das Rückschlagventil 102 zu öffnen.
Bei alternativen Ausführungsbeispielen können die Drücke gegenüber den vorstehenden Drücken drastisch variieren, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise könnte der Sollwertgegendruck irgendwo zwischen 0 kPa bis -1,74 kPa (0" Wasser bis minus 7 Zoll Wasser) liegen, und der Tintenreservoirdruck könnte irgendwo zwischen -0,69 kPa bis über 207 kPa (-0,1 psi bis über +30 psi) liegen und einen kurzzeitigen Druck von 827 kPa (120 psi) erfahren.
Obwohl das Reservoir 110, Fig. 1, so offenbart ist, daß es einen Kolben 119 und eine Feder 120 verwendet, um die Tinte mit Druck zu beaufschlagen, können andere Druckbeaufschlagungssysteme für Flüssigkeiten verwendet werden. Beispielsweise ist Druckluft von einem zweiten Reservoir, einer peristaltischen, Kolben- oder einer IMO-Pumpe und anderen Federkonfigurationen ins Auge gefaßt.

Claims

1. Eine Vorrichtung zum Zuführen von Tinte zu einem Druckkopf (46), die folgende Merkmale aufweist:

ein Reservoir (110) zum Enthalten von Tinte bei einem Reservoirdruck,

einen Gegendruckregler (20) zum Empfangen von Tinte von dem Reservoir (110) und zum Zuführen von Tinte zu einem Druckkopf (46) bei einem Druck, wobei der Druck im wesentlichen unabhängig von dem Reservoirdruck ist und einen Wert aufweist, der sich zwischen einem atmosphärischen Druck und etwa 1,74 kPa unter dem atmosphärischen Druck bewegt, wobei der Gegendruckregler ein Ventil (34, 54), das durch einen Ventilsitz (34) und eine Düse (54) gebildet ist, zum Regeln des Tintenflusses von dem Reservoir (110) zu dem Druckkopf (46) auf der Basis des Gegendrucks des Druckkopfes (46) umfaßt, und

eine Tintenrohrleitung (114), die zwischen das Reservoir (110) und den Druckregler (20) zum Zuführen von Tinte zu dem Druckregler (20) geschaltet ist.

2. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Düse (54) einen Innendurchmesser aufweist, der ausreichend groß ist, um eine Schwärzungs-Druck-Durchflußgeschwindigkeit einer Tinte zu dem Druckkopf aufzunehmen, wobei der Gegendruckregler ferner eine Feder (36) zum Ausüben einer Schließkraft auf das Ventil, wobei die Schließkraft eine Größe von mehr als fünfmal die maximale Kraft aufweist, die durch die Tinte in der Düse ausgeübt wird, und eine Membran (22) zum Ausüben einer Öffnungskraft auf das Ventil (57) umfaßt, wobei die Öffnungskraft eine Größe von mehr als funfmal uze maximale Kraft aufweist, die durch die Tinte in der Düse (54) ausgeübt wird.

3. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der der Gegendruckregler ferner einen Hebel (38) umfaßt, wobei eine Senkrechte einer Senkrechten einer Oberfläche des Hebels (38) parallel zu einer Beschleunigungsrichtung des Druckkopfes ist, an dem der Gegendruckregler angebracht ist.

4. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der das Reservoir (110) einen Druck von zwischen 0,498 kPa unter einem atmosphärischen Druck und 206,85 kPa aufweist.

5. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, die ferner einen Drucker mit einer stationären Halterung (121) zum Halten des Reservoirs (110) bezüglich des Druckers, einen beweglichen Wagen (136) in dem Drucker zum lösbaren Halten des Druckkopfes (46) und einen Antriebsmotor (138) zum Bewegen des beweglichen Wagens (136) und des Druckkopfs (46) in dem Drucker bezüglich der stationären Halterung (121) und des Reservoirs (110) umfaßt, wobei der Antriebsmotor in Wirkverbindung mit dem beweglichen Wagen und dem Drucker steht.

6. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, die ferner einen Drucker mit einem beweglichen Wagen (136) in dem Drucker zum Halten des Reservoirs (110) und zum lösbaren Halten des Druckkopfes (46) sowie einen Antriebsmotor (138) zum Bewegen des beweglichen Wagens (136) in dem Drucker umfaßt, wobei der Antriebsmotor mit dem beweglichen Wagen und dem Drucker in Wirkverbindung steht.