DE69622480T2

DE69622480T2 - Tintenstrahlschreiber mit druckregulierter freier Tintenzuführung

Info

Publication number: DE69622480T2
Application number: DE69622480T
Authority: DE
Inventors: Pawlowski, Jr.
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1995-08-24
Filing date: 1996-01-25
Publication date: 2002-11-07
Anticipated expiration: 2016-01-26
Also published as: US5844577A; JP3798079B2; EP0760288B1; US5736992A; EP0760288A1; JPH09118021A; DE69622480D1

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Tintenstrahltechnologie, insbesondere auf Tintenstrahlstifte des Freie-Tinte-Reservoirtyps und insbesondere auf Druckregler für einen Freie-Tinte-Tintenstrahlstift.

2. Beschreibung des Stands der Technik

Die Technik der Tintenstrahltechnologie ist relativ weit entwickelt. Kommerzielle Produkte, wie z. B. Computerdrucker, Graphikplotter und Faksimilemaschinen, verwenden Tintenstrahltechnologie zum Erzeugen von Druckkopien. Die Grundlagen dieser Technologie sind beispielsweise in verschiedenen Artikeln in dem Hewlett-Packard-Journal, Bd. 36, Nr. 5 (Mai 1985), Bd. 39, Nr. 4 (August 1988), Bd. 39, Nr. 5 (Oktober 1988), Bd. 43, Nr. 4 (August 1992), Bd. 43, Nr. 6 (Dezember 1992), und Bd. 45, Nr. 1 (Februar 1994), offenbart, die hierin durch Bezugnahme aufgenommen sind.
Im allgemeinen ist auf dem Gebiet des thermischen Tintenstrahldrucks ein Tintenstrahlstift mit einem Druckkopf versehen, der eine Öffnungsplatte aufweist, die in Verbindung mit Wärmeelementen aufgebaut ist. Die thermische Anregung von Tinte in der Nähe der Düsen an der Öffnungsplatte wird verwendet, um Tintentröpfchen durch die Miniaturdüsen und Öffnungen auf ein Druckmedium auszustoßen, wodurch unter Verwendung von Punktmatrixmanipulation alphanumerische Zeichen oder Bilder gebildet werden. Andere Typen von Tintentröpfchengeneratoren, wie z. B. die Verwendung von piezoelektrischen Wandlern, sind in der Technik ebenfalls bekannt.
Der Stift selbst kann ein in sich geschlossenes Reservoir zum Speichern von Tinte aufweisen und während eines Druckzyklus angemessene Mengen an Tinte zu dem Druckkopf liefern. Diese in sich geschlossenen Einmalstifte werden in der Technik als Druckkassetten bezeichnet. Tinte kann in einer Druckkassette in einem abgeschlossenen Medium gespeichert werden, wie z. B. durchlässigem Schaummaterial (siehe z. B. U.S.-Patent Nr. 4,771,295 (Baker u. a.), übertragen an die gemeinsame Anmelderin der vorliegenden Erfindung und hierin durch Bezugnahme aufgenommen). Alternativ kann der Stift eine Freie-Tinte-Typ-Druckkassette sein, wobei Tinte von einem in sich abgeschlossenen Reservoir, wie z. B. einer vorgespannten Tintenblase oder einem Tintenbeutel, zu dem Druckkopfmechanismus geliefert wird, wie es in dem U.S.-Patent Nr. 5,539,353 ((Hunt u. a.), übertragen an die gemeinsame Anmelderin der vorliegenden Erfindung und hierin durch Bezugnahme aufgenommen) gezeigt ist. Falls in der Druckkopievorrichtung statt einer Druckkassette ein Stift des nachfüllbaren Typs verwendet wird, wird Tinte im allgemeinen von einem entfernten, nachfüllbaren, Off-board- bzw. separaten Tintenreservoir zu einem relativ permanenten Stiftkörper und Druckkopfmechanismus geliefert. Frühe Tintenstrahldrucker und Reservoire außerhalb des Stifts sind in dem U.S.-Patent Nr. 4,312,007 ((Winfild), übertragen an die gemeinsame Anmelderin der vorliegenden Erfindung und hierin durch Bezugnahme aufgenommen) dargestellt. Darüber hinaus wurde herausgefunden, daß es bei einigen Druckkopieanwendungen, wie z. B. bei Großformatplotten von Konstruktionszeichnungen und dergleichen, einen Bedarf für die Verwendung von viel größeren Tintenmengen gibt, als in einer austauschbaren Druckkassette enthalten sein können. Daher wurden in jüngster Zeit auch verbesserte, relativ große Tintenreservoirsysteme außerhalb des Stiftes entwickelt. Beispielsweise sei Bezug genommen auf das U.S.-Patent Nr. 4,831,389 (Chan), das ein Mehrfarben-Off-Board- Tintenzuführsystem zeigt; das U.S.-Patent Nr. 4,929,963 (Balazar), das ein Tintenzuführsystem für einen Tintenstrahldrucker unter Verwendung eines Niedrigdruckrückführpumpensystems darstellt; und das U.S.-Patent Nr. 4,968,998 (Allen), das einen Tintenstrahlstift zeigt, der an einer Wartungsstation nachfüllbar ist (die jeweils der gemeinsamen Anmelderin der vorliegenden Erfindung übertragen und hierin durch Bezugnahme aufgenommen sind).
Darüber hinaus kann ein Tintenstrahlstift entworfen sein, um einen im wesentlichen permanenten Druckkopfmechanismus aufzuweisen, und ein abnehmbares On-Board-Reservoir (im der Technik auch als On-Axis-Reservoir bezeichnet), das nach Bedarf nachgefüllt oder ersetzt werden kann.
Obwohl sowohl Druckkassetten als auch Freie-Tinte- Tintenstrahlstifte eine zuverlässige und effiziente Einrichtung zum "Ausstoßen" von Tintentröpfchen von dem Druckkopf auf das Druckmedium liefern, erfordern die Druckköpfe im allgemeinen einen Mechanismus zum Verhindern des freien Tintenflusses durch die Öffnungen, wenn der Druckkopf nicht aktiviert ist. Ohne eine solche Steuerung kann Tinte auf die Druckoberfläche oder auf den Druckermechanismus austreten oder "auslaufen". Eine solche austretende Tinte kann sich auch aufbauen und auf dem Druckkopf selbst verkrusten, wodurch ein sauberer Betrieb behindert wird. Komplexe Stiftwartungsstationen, an der Druckköpfe gewischt oder aktiviert werden können, um überschüssige Tinte "wegzuspucken", sind oft als Teil der Druckkopievorrichtung vorgesehen,
Um dieses Problem zu lösen, liefern viele Tintenstrahldrucker Tinte mit einem leichten Unterdruck (in der Technik auch als "Gegendruck-" oder "Negativdruck-" Betrieb bezeichnet) von dem Reservoir zu dem Druckkopf, der niedriger ist als der atmosphärische Umgebungsdruck an dem Druckkopf. Um wirksam zu sein, muß dieser Stiftgegendruck konstant gehalten werden und innerhalb eines gewünschten Betriebsbereichs vorhersagbar sein. Das heißt, der Stiftgegendruck muß groß genug sein, um den unerwünschten freien Tintenfluß durch die Öffnungen zu verhindern, wenn der Stift nicht verwendet wird, und trotzdem gleichzeitig klein genug, so daß der Druckkopf, wenn er aktiviert ist, den Gegendruck überwinden kann und, Tintentröpfchen auf konstante und vorhersehbare Weise ausstoßen kann. Dieser Gegendruck wird durch Änderungen sowohl bei dem atmosphärischen Umgebungsdruck als auch bei den internen Druckbedingungen beeinflußt. Gleichartig dazu können Temperaturschwankungen bewirken, daß sich die Tinte und Luft in dem Tintenstrahlstift zusammenziehen oder ausdehnen, was ebenfalls den Gegendruck beeinträchtigt. Daher müssen diese Faktoren in Betracht gezogen werden und ein Mechanismus muß in einen Tintenstrahlstiftentwurf eingebaut werden, um den Gegendruck innerhalb des vorbestimmten erwünschten Betriebsbereichs zu halten.
Bei einer Schaumreservoirdruckkassette ist die Kapillarwirkung des Schaums im allgemeinen ausreichend, um den gewünschten Gegendruck zu erzeugen. Bei einem Tintenstrahlstift des Freie-Tinte-Reservoirtyps wird oft ein tinteeinschließender On-Board-Vorrat mit variablem Volumen verwendet. Das Reservoir kann beispielsweise aus einem vorgespannten, flexiblen Material bestehen, das sich ausdehnen oder zusammenziehen kann, oder eine Tintenaufnahmekammer kann vorgesehen sein, die ein internes Druckregelgerät umfaßt. Bei dem U.S.-Patent Nr. 4,509,062 (übertragen an die gemeinsame Anmelderin der vorliegenden Erfindung und hierin durch Bezugnahme aufgenommen) zieht eine Feder eine Membran einer mit Tinte gefüllten Blase nach außen, um innerhalb des Tintenreservoirs einen leichten negativen Druck zu erzeugen. Das U.S.-Patent Nr. 4,677,447 (überragen an die gemeinsame Anmelderin der vorliegenden Erfindung und hierin durch Bezugnahme aufgenommen) beschreibt die Verwendung eines Prüfventils in einem Druckgerät mit einem On-Board- Tintenreservoir, das einen konstanten Druckunterschied zwischen dem Druckreservoir und dem Tintenstrahldruckkopf beibehält. Das U.S.-Patent Nr. 4,992,802 (übertragen an die gemeinsame Anmelderin der vorliegenden Erfindung) lehrt die Verwendung von zwei Drucksteuermechanismen, um den Umgebungsbetriebsbereich eines Tintenstrahldruckkopfs auszudehnen. Die verwandte Patentanmeldung mit der Seriennummer 08/065,957 (Seccombe u. a.) beschreibt einen Membrantypdruckregler, der sich auf einem Tintenstrahlstift befindet, der ein Off-Board-Tintenreservoir verwendet.
Der Gegendruck muß innerhalb spezifizierter Toleranzgrenzen gesteuert werden, so daß der Druckkopf richtig drucken kann. Druckqualitätsschwankungen sind direkt verwandt mit Gegendruckschwankungen. Ein zu geringer Gegendruck kann zu einer schwachen Druckqualität und Tintenaustreten führen; ein zu hoher Gegendruck kann den Druckkopf austrocknen, was ebenfalls die Druckqualität und die Druckkopflebensdauer beeinträchtigt, da das trockene Betreiben eines Tintenstrahlstifts den Druckkopfmechanismus beschädigen kann. Der Gegendruck muß beibehalten werden, unabhängig von den Druckbedingungen, beim Stand der Technik schwankte er jedoch als eine Funktion des Tintenpegels in dem On-Axis- (eingebauten) Vorrat oder als eine Funktion der Tintenflußrate. Daher sind Verbesserungen der Gegendruckmechanismen nötig, um diese gegensätzlichen Betriebsanforderungen zu bewirken.
Die EP-A-0339770 offenbart einen Tintenvorrat für einen Tintenstrahldrucker mit einem Regler, der eine Membran umfaßt, die sich als eine Funktion des Drucks in der Kammer biegt, um die Öffnung eines Umgehungsventilbauglieds zu steuern.
Die US-A-4,992,802 (auf die oben Bezug genommen wird) offenbart einen Blasenmechanismus für die Drucksteuerung für einen Druckkopf, der Tinte von einem Tintenreservoir ausstößt.
Trotzdem sind weitere Verbesserungen wünschenswert, um Betriebsanforderungen zu erfüllen;

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist in den angehängten Ansprüchen definiert.
Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß der Gegendruck an dem Stiftdruckkopf konstant bleibt, trotz Schwankungen bei der Tintenflußrate Von einem Haupttintenvorratsreservoir.
Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß ein Tintenstrahlstift, in den dieselbe eingebaut ist, Tinte mit einem konstanten, dauerhaften Druckkopfgegendrucksollwert von einem entfernten oder eingebauten, abnehmbaren, unter Druck stehenden Reservoir empfängt.
Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß die Verwendung von Tinte in einem Vorratsreservoir maximiert ist.
Es ist ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß sie Tinte zu einem Tintenstrahldrucker mit einer relativ hohen Flußrate liefern kann, ohne den Gegendruck an dem Druckkopf stark zu beeinträchtigen.
Es ist ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß der Gegendruck über einen großen Bereich von Flußraten, Einlaßdruck und Stiftausrichtungen gesteuert wird.
Es ist ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß das Gerät mit einer Standfläche entworfen werden kann, die einen leichten Einbau in einen Tintenstrahlstiftmechanismus ermöglicht.
Es ist ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß das Gerät entworfen ist, um mit einer geringen Bauteilzahl und einer Unempfindlichkeit gegenüber Toleranzschwankungen herstellbar zu sein, was zu einem höheren Produktionsertrag und geringeren Bauteilkosten führt.
Es ist noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß das Reglergerät einstellbar ist, wodurch eine Nachherstellungseinrichtung geliefert wird, durch die der Gegendrucksollwert eingestellt werden kann.
Es ist noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß Tintenlösungsmittelverlust durch die Verwendung eines Dampfbarrierebauglieds minimiert ist.
Es ist noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß ein Tintenstrahlstift, in den dieselbe eingebaut ist, unter Verwendung des Geräts vorbereitet werden kann.
Es ist noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß nur eine Röhre von dem entfernten Tintenvorrat erforderlich ist, wodurch die Komplexität und die Bauteilzahl reduziert wird.
Es ist noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß Reibungskräfte in dem Druckreglergerät minimiert sind, wodurch die Schwankung bei dem Gegendruck an dem Druckkopf reduziert wird.
Es ist noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß durch Entwerfen von Komponenten mit spezifischen Gewichten, die in etwa gleich sind wie das spezifische Gewicht von Tinte, Trägheitsmomente reduziert sind.
Andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden bei der Betrachtung der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen offensichtlich werden, bei denen gleiche Bezugszeichen in den Figuren gleiche Merkmale darstellen.

Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine auseinandergezogene, schematische, perspektivische Zeichnung eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 ist eine schematische, perspektivische Querschnittszeichnung eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 ist eine auseinandergezogene, schematische, perspektivische Zeichnung eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, das ähnlich ist wie dasjenige, das in Fig. 2 gezeigt ist.
Fig. 4 ist eine andere Darstellung der vorliegenden Erfindung, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, die ein Ventil und einen Ventilsitz in einer voll geöffneten Position darstellt.
Fig. 5 ist eine schematische, perspektivische Zeichnung eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, bei dem eine Stiftkörperabdeckungsplatte entfernt ist.
Fig. 6 ist eine schematische, perspektivische Zeichnung, die einen "reibungslosen" Schwenkmechanismus zeigt, der als eine Komponente der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Fig. 6A ist eine Einzelheit von Fig. 6.
Fig. 7 ist ein graphischer Vergleich des Gegendrucks als Funktion der Federauslenkung für unterschiedliche Typen von Federmechanismen, die für die Verwendung bei der vorliegenden Erfindung verfügbar sind.
Die Zeichnungen, auf die in dieser Beschreibung Bezug genommen wird, sollten nicht als maßstabsgetreu angesehen werden, außer wenn dies speziell angemerkt ist.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Nachfolgend wird näher auf spezifische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dargestellt, die den besten Modus darstellen, der derzeit von dem Erfinder zum Praktizieren der Erfindung erwägt wird. Obwohl die vorliegende Erfindung bezüglich beispielhafter Tintenstrahlstiftstrukturen beschrieben ist, wird es für einen Fachmann auf diesem Gebiet deutlich sein, daß die Erfindung ohne Weiteres auf andere nachfüllbare Tintenstifte und in der Tat auf viele Fluiddruckregelmechanismen übertragen werden kann. Daher ist durch die beschriebenen beispielhaften Ausführungsbeispiele keine Begrenzung beabsichtigt, noch sollte daraus auf eine solche geschlossen werden.
Mit Bezugnahme auf Fig. 1 ist ein Druckreglergerät gemäß der vorliegenden Erfindung ein Ventilhebel, der angepaßt ist, um einen Tintenfluß von einem, entfernten Tintenreservoir in einen Stiftkörper zu regeln, durch selektives Öffnen und Schließen eines Ventils auf der Basis eines Fluiddruckpegels innerhalb des. Stiftkörpers.
Ein Stiftkörper 1 ist vorgesehen, der eine unterteilte Tintenaufnahmekammer 3a, 3b und einen Druckkopfschnauzenabschnitt 5 für einen Druckkopfmechanismus 7 umfaßt. Ein Druckkopfmechanismus 7, der im allgemeinen eine Düsenplatte 6 und eine flexible Schaltung 8 aufweist, ist für eine kooperative Befestigung auf dem Schnauzenabschnitt 5 angepaßt. Eine Stiftkörperkrone 9, die einen Abschnitt des Tintenaufnahmekammerabschnitts 3a umfaßt, ist angepaßt, um den Stiftkörper 1 abzudecken. Ein Trennwandbauglied 11 der Stiftkörperkrone 9 liefert einen Kopplungsmechanismus für ein entferntes Tintenreservoir (nicht gezeigt) mit positivem Druck, durch jede geeignete Einrichtung, wie sie in der Technik bekannt ist. In Verbindung mit einem Kronendeckel 13 ist die Tintenaufnahmekammer 3a, 3b im wesentlichen fluiddicht. Das heißt, Tinte fließt unter Druck von dem entfernten Tintenreservoir durch das Trennwandbauglied 11 und in den Aufnahmekammerabschnitt 3a. Tinte in dem Aufnahmekammerabschnitt 3a fließt in den Stiftkörperaufnahmekammerabschnitt 3b und in den Schnauzenabschnitt 5, gesteuert über einen Druckreglerventilmechanismus 12. Von dem Stiftkörperaufnahmekammerabschnitt 3b wird Tinte direkt über ein Tintenauslaßröhrenbauglied 15 in den Druckkopfmechanismus 7 geliefert.
Wie es in Fig. 1 gezeigt ist, ist eine Umgebungsatmosphärelüftungsöffnung 19 in der Form einer Kronenröhre 21 durch die Stiftkörperkrone 9 vorgesehen, die sich als eine Deckellüftungsöffnung 19' durch den Kronendeckel 13 fortsetzt. Während dem Zusammenbau wird ein aufblasbares Beutelbauglied 23 (das in einem abgelassenen Zustand gezeigt ist) in seinem im wesentlichen abgelassenen Zustand an ein Anschlußstück 25 befestigt. Das Anschlußstück 25 umfaßt eine geöffnete Leitung 27, wobei das aufblasbare Beutelbauglied 23 im wesentlichen um das Anschlußstück 25 und die geöffnete Leitung 27 abgedichtet ist, so daß, wenn dieselbe mit der Stiftkörperkrone 9 zusammengepaßt wird, die geöffnete Leitung 27 durch die Kronenröhre 21 mit der Umgebungsatmosphärenlüftungsöffnung 19, 19' ausgerichtet ist. Auf diese Weise ist das Innere des Beutelbauglieds 23 zu der Umgebungsatmosphäre hin offen, aber gegen den Eintritt von Tinte abgedichtet, die unter Druck von dem Tintenreservoir durch das Trennwandbauglied 11 und in den Aufnahmekammerabschnitt 3a fließt, und dann durch den Ventilmechanismus 12 und in den Aufnahmekammerabschnitt 3b.
Ein Druckregelventilbetätigungsbauglied 29 ist über eine Vorspannungsfeder 31 an der Stiftkörperkrone 9 befestigt. Das federvorgespannte Ventilbetätigungsbauglied 29 wirkt als ein Hebel und umfaßt einen Ventilsitz 33, um den Tintenfluß durch die Stiftkörperaufnahmekammer 3a, 3b zu regeln, wobei sich das Ventil abhängig von der Nutzrate des Druckkopfmechanismus 7 und des nachfolgenden Drucks in dem Aufnahmekammerabschnitt 3b öffnet und schließt. Nach dem Zusammenbau ist das Ventilbetätigungsbauglied 29 benachbart zu dem aufblasbaren Beutelbauglied 23. Man beachte, daß die Feder 31 eine Torsionsfeder ist, die während Durchbiegungen eine im wesentlichen konstante Federkraft ausübt.
Wenn das aufblasbare Beutelbauglied 23 benachbart zu dem Ventilbetätigungsbauglied 29 befestigt ist und über die Lüftungsöffnung 19, 19' mit dem umgebungsatmosphärischen Druck gekoppelt ist, bläst sich das Beutelbauglied 23 ansprechend auf den Unterschied zwischen dem umgebungsatmosphärischen Druck und dem Druckpegel in dem Tintenaufnahmekammerabschnitt 3b auf und entleert sich, wobei der Ventilsitz 33 den Ventilmechanismus 12 öffnet bzw. schließt.
Beim Betrieb läuft der Tintenaufnahmekammerabschnitt 3b allmählich trocken, während sich das Drucken über den Druckkopfmechanismus 7 fortsetzt. Wenn sich das Entleeren des lokalen Tintenvorrats in dem Aufnahmekammerabschnitt 3b verringert, weil der Aufnahmekammerabschnitt 3b gegen die Umgebungsatmosphäre abgedichtet ist, tritt ein Niedrigdruckzustand auf. Wenn der Druck in dem Aufnahmekammerabschnitt 3b fällt, bläst der Umgebungsluftdruck über die Umgebungsatmosphärenluftöffnung 19, 19' das Beutelbauglied 23 auf der Basis des sich erhöhenden Druckunterschieds auf. Das Beutelbauglied 23 wiederum drückt auf das Ventilbetätigungsbauglied 29, wodurch mehr und mehr dessen relative Position gegen die Kraft der Feder 31 in dem Kammerabschnitt 3b geändert wird, während sich das Beutelbauglied 23 aufbläst.
In anderen Worten drückt die Feder 31 den Ventilsitz 33 gegen ein Ventil (wie z. B. eine geformte Öffnung, eine Leitung, ein Nadelventil oder dergleichen, die in der Ansicht von Fig. 1 versteckt sind) zwischen die Tintenaufnahmekammerabschnitte 3a, 3b, wodurch der Tintenfluß abgestellt wird. Wenn der Gegendruck an dem Tintenstrahldruckkopfmechanismus 7 geringer ist als der vorbestimmte Sollwertgegendruck, übt das sich aufblasende Beutelbauglied 23 eine Kraft auf das Ventilbetätigungsbauglied 29 aus, überwindet die Federkraft und bewirkt, daß dasselbe als ein Hebel wirkt, bewegt den Ventilsitz 33 so, daß Tinte von dem Tintenaufnahmekammerabschnitt 3a in den Tintenaufnahmekammerabschnitt 3b fließen kann. Die Stärke der Kraft, die durch die Feder 31 ausgeübt wird, überschreitet die Stärke der Kraft, die durch das Beutelbauglied 23 ausgeübt wird, wodurch bewirkt wird, daß dasselbe Luft abläßt, wenn der Gegendruck an dem Tintenstrahldruckkopf 7 gleich ist wie der Sollwertgegendruck oder denselben leicht übersteigt. Das Ventilbetätigungsbauglied 29 bewegt sich unter der Kraft der Feder zurück und der Ventilsitz 33 stellt den Tintenfluß ab.
Die Verwendung einer Torsionsfeder hat wesentliche Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen Druckreglern, wie z. B. von dem Typ, der in der U.S.-Patentanmeldung mit der Seriennummer 08/065,957 (Seccombe u. a.) offenbart ist, der eine Auslegerfeder verwendet. Gegendruckschwankungen können sich auf eine Änderung bei der Federkraft beziehen und sind empfindlich gegenüber der Tinten flußrate durch den Ventilmechanismus 12. Die Tintenflußrate durch das Ventil erhöht sich, wenn sich die Druckdichte erhöht. Idealerweise sollte unabhängig von den Druckbedingungen oder den Tintenpegelbedingungen ein konstanter Gegendruck beibehalten werden. Dieses Ziel ist schwierig zu erreichen, da ein federbasiertes System auf der folgenden Beziehung gründet:
F = k·x,
wobei F die Federkraft ist, k die Federkonstante und x der Betrag, um den die Feder gebogen wird. Um somit den Betrag zu reduzieren, um den sich die Federkraft für jede bestimmte Biegung, x, erhöht, müßte die Federkonstante k reduziert werden. Um einen annehmbaren Gegendrucksollwert zu erhalten, muß die Feder entsprechend vorgeladen werden. Bei der vorliegenden Erfindung wird die Federkonstante durch die Verwendung einer Torsionsfeder reduziert, die eine Einrichtung zum Kombinieren einer relativ großen Anzahl von aktiven Spulen in einem kompakten Raum liefert. Das Vorladen tritt somit in einer Radialrichtung auf. Somit wird der Mechanismus zu einem vorbestimmten Sollwert vorgeladen, ohne zusätzliches internes Volumen zu besetzen, das effizienter für Tintenspeicherung verwendet werden kann. Mit kurzer Bezugnahme auf Fig. 7 ist ein Vergleich gezeigt, der den wesentlichen Vorteil beim Beibehalten eines gleichmäßigen Gegendrucks unter Verwendung einer Torsionsfeder über eine Ausleger-, Ausdehnungs- oder Kompressionstypfeder in einem federgeladenen Reglermechanismus zeigt. Obwohl die Größe ein Problem sein könnte, würde eine "Negator"-Feder (z. B. wie bei einem Maßband) ebenfalls eine im wesentlichen konstante Federkraft liefern.
Mit erneuter Bezugnahme auf Fig. 1 ist das Ventilbetätigungsbauglied 29 ebenfalls angepaßt, um als ein Tinte-Leer- Detektor 17 zu dienen, dadurch daß, wenn der Tintenvorrat austrocknet und der Fluß durch die Trennwand 11 in die Aufnahmekammer 3a, 3b endet, das Beutelbauglied 23 sich schließlich vollständig aufbläst. Eine Vielzahl von elektrischen Schaltungselementen kann in das Gerät integriert sein, um eine Anzeige zu liefern, daß eine Tinte-Leer- Bedingung aufgetreten ist, wenn das Ventilbetätigungsbauglied 29 eine vorbestimmte Position innerhalb des Tintenaufnahmekammerabschnitts 3b erreicht. Falls beispielsweise bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel das Ventilbetätigungsbauglied 29 aus Metall aufgebaut ist, können zwei elektrische Kontakte 51, 53 einer offenen Schaltung, die der flexiblen Schaltung 8 des Druckkopfmechanismus 7 zugeordnet ist, durch die Wand des Stiftkörpers 1 vorgesehen sein. Leiterbahnen von den Kontakten 51, 53 zu der flexiblen Schaltung 8 können auf geeignete Weise vorgesehen werden, wie es in der Technik bekannt ist. Wenn sich das Beutelbauglied 23 beim Betrieb aufbläst, überbrückt das Ventilbetätigungsbauglied 29 schließlich die Kontakte 51, 53 und schließt die Schaltung. In anderen Worten-, das Ventilbetätigungsbauglied 29 wirkt als eine Trennschaltervorrichtung. Alternativ könnten die Enden 55, 57 einer Metallfeder 31 gleichartig verwendet werden, um eine Schaltung zu schließen.
Mit der Vollendung der elektrischen Schaltung kann ein Tinte-Leer-Zustand-Indikator (nicht gezeigt), wie z. B. ein Leuchtindikator, eine tonerzeugende Vorrichtung dergleichen, den Benutzer auffordern, den Tintenvorrat nachzufüllen oder zu ersetzen. Vorzugsweise wird der Kontakt vor der vollständigen Entleerung des Druckkopfs geschlossen, so daß der Tintenvorrat nachgefüllt werden kann, bevor der Stift einen entleerten Zustand erreicht.
Ein erstes alternatives Ausführungsbeispiel ist in zwei ähnlichen Konfigurationen in Fig. 2 und 3 gezeigt. Ein Stiftkörper 201 umfaßt eine Tintenaufnahmekammer 203. Ein Druckkopfmechanismus (in dieser Zeichnung nicht gezeigt, aber siehe Element 7 in Fig. 1) ist für die Befestigung angepaßt, wie z. B. an einer flexiblen Schaltung 207 oder einer anderen geeigneten Tintenauslaßposition, wie es durch Entwurfszweckmäßigkeiten diktiert wird, wie sie einem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt sind. Ein. Stiftkörperbasisbauglied 209 umfaßt einen Federbefestigungsständerabschnitt 241, einen Federspannungseinstellungsschraubensitzabschnitt 243 mit einer Gewindebohrung 245 durch denselben, und ein hohles Tinteneinlaßröhrenbauglied 247.
In der Aufnahmekammer 203 ist eine Membran 223 um den Umfang 224 desselben befestigt, um im wesentlichen eine komplementäre Öffnung 219 durch das Stiftkörperbasisbauglied 209 abzudichten. Ein Dampfbarrierendeckel 213 mit einer Öffnung 213' für einen Zugriff auf eine Federspannungseinstellschraube 249 vervollständigt eine fluiddichte Stiftkörperumhüllung. Der Dampfbarrieredeckel 213 wird vorzugsweise durch einen langen, relativ schmalen Kanal 214 (nur Fig. 3) belüftet, um Dampfverlust zu reduzieren, während gleichzeitig die Membran 223 dem umgebungsatmosphärischen Druck ausgesetzt bleibt.
Ein Vorspannungsmechanismus mit beinahe konstanter Kraft, eine Torsionsfeder 231, ist ein dem Federbefestigungsständerabschnitt 241 des Stiftkörperbasisbauglieds 209 befestigt. Die Torsionsfeder 231 ist angepaßt, damit ein erstes Ende 230 einen Sitz bildet, der mit der Federspannungseinstellungsschraube 249 zusammenpaßt. Das distale Ende 234 der Feder 231 ist verlängert und angepaßt, um einen Tauchkolbenarmabschnitt 230 zu tragen, der über ein elektrisch leitfähiges Ständerbauglied 235 mit einem Tauchkolbenbauglied 229 verbunden ist. Der Tauchkolbenarmabschnitt 230 ist ferner angepaßt, um einen Ventilsitz 211 zu tragen, zum Zusammenpassen mit einem Tinteneinlaßröhrenbauglied 247 mit einer hohlen Bohrung 247, die gekoppelt sind, um als eine Leitung für Tinte von dem entfernten Reservoir zu dienen. Im allgemeinen kann der Ventilmechanismus ein im Handel erhältlicher Nadel- und Sitztyp sein, und das Ventil kann durch eine Tauchkolbenarmanordnung jedes zweckmäßigen Entwurfs betätigt werden, an die der Sitz befestigt ist. Die Feder 231 übt eine Kraft auf den Tauchkolbenarmabschnitt 230 aus, die gleich ist wie die Kraft, die durch die Membran 223 ausgeübt wird, wenn der Gegendruck gleich ist wie der vorbestimmte Entwurfsgegendrucksollwert.
Der Betrieb des Ausführungsbeispiels von Fig. 2 und 3 ist in Fig. 4 gezeigt. Gleichartig zu dem Betrieb, des in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiels fällt der Druck in der Aufnahmekammer 203, wenn der Tintenvorrat entleert wird. Wenn der Kammerdruck unter den Umgebungsatmosphärendruck fällt, wird die Membran 223 in die Kammer 203 gebogen. Dieser Druckunterschied öffnet und schließt den Ventilmechanismus, der Tinte von einem unter Druck stehenden entfernten Reservoir über die Leitung in den Stift- und Druckkopfmechanismus eintreten läßt, die die Einlaßröhrenbohrung 247' ist. Unter Verwendung einer Membran 223 und einer Torsionsfeder 231 sind die Kräfte in diesem Ausführungsbeispiel eines federgeladenen Reglers ausgeglichen. Die Membran 223 erzeugt ihre Kraft von dem Druckunterschied zwischen der Tintenaufnahmekammer 203 in dem Inneren des Stifts und der Umgebungsatmosphäre. Die Torsionsfeder 231 ist so entworfen, um der Membrankraft entgegenzuwirken, um eine. Gleichgewichtsbalance zu erreichen, das einen geeigneten vorbestimmten Gegendruck für den Stift- und Druckkopfentwurf liefert. Dieser Gleichgewichtssollwert (abhängig von den spezifischen Stiftentwurfdruckkopfarchitekturanforderungen) kann grob eingestellt werden und dann durch Drehen einer bereitgestellten Einstellungsschraube 249 eingestellt werden, die auch als Federanschlag wirkt. Alle Druckreglerkomponenten sind im wesentlichen innerhalb der Stiftkörperumhüllung hermetisch abgedichtet. Es ist anzumerken, daß die Umhüllung auch als ein Bewegungsbegrenzer für die Feder 231 und die Tauchkolbenarmanordnung 229, 230, 235 dient. Wenn somit der Druckregler großen negativen Drücken unterworfen wird, verhindert die Umhüllung große Biegungen, die den Mechanismus beschädigen könnten. Die Hinzufügung des Dampfbarrieredeckels 213 begrenzt die Verdampfung von Tintenlösungsmitteln; der Deckel 230 kann aus einem in Handel erhältlichen Material sein, wie z. B. Messingblech, das undurchlässig ist für Dämpfe, die von der Tinte in der Aufnahmekammer 203 austreten.
Es ist außerdem anzumerken, daß der Sollwert des vorliegenden Ausführungsbeispiels unter Verwendung der Schraube 249 eingestellt werden kann, sobald das Gerät zusammengebaut ist. Dies ermöglicht eine viel engere Steuerung des Gegendrucks und erhöht die Druckqualität und den Herstellungsertrag.
Mit erneuter Bezugnahme auf Fig. 2 und 4 kann das Gerät, wie bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1, erneut als ein Tinte-Leer-Erfassungsmechanismus verwendet werden. Mit erneuter Bezugnahme auf Fig. 2 ist ein elektrischer Kontakt 251 angemessen in der Aufnahmekammer 203 befestigt. Eine elektrische Leiterbahn 254 verbindet den Kontakt 251 mit einer Schaltungsanordnung 253. Gleichartig dazu verbindet eine elektrische Leiterbahn 255 die Torsionsfeder 231 über eine leitfähige Schraube 249 mit der Schaltungsanordnung 253. Wenn sich keine Tinte mehr in dem Reservoir befindet, so daß es keinen Fluß mehr durch die Leitungsbohrung 247' gibt, biegt sich die Membran 223, bis das Ständerbaugliedende 235 an den elektrischen Kontakt 251 anstößt, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Auf diese Weise vervollständigt die Kombination des Ständerbaugliedendes 235 und der Torsionsfeder 231, die mit der elektrischen Schaltungsanordnung 253 über eine Leiterbahn 255 verbunden ist, eine Schaltung, wobei der elektrische Kontakt 251 über die Leiterbahn 254 mit der elektrischen Schaltungsanordnung 253 verbunden ist. Die Vollendung dieser Schaltung wird verwendet, um eine. Tinte- Leer-Bedingung auszulösen, wie bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel.
Die gleiche Auflösung kann erhalten werden unter Verwendung des Torsionsfederentwurfs der vorliegenden Erfindung mit einem relativ großen Hebelarm, um eine Auslegeraktion bei einem Entwurf mit kleinerer Standfläche zu erreichen. Die Torsionsfederkonfiguration gibt dem Federsystem eine geringere Federrate, die eine größere Bewegung des Ventilsitzes ermöglicht. Dies gibt dem System außerdem das Potential für höhere Flußraten, falls diese benötigt werden, während aktuelle Auslegerfedertypreglersysteme nicht ausreichend Ausschlag aufweisen, um das gleiche Hebelkraftverhältnis zu liefern, um ähnliche Flußraten zu erhalten.
Als ein allgemeiner Lehrsatz verbessert das Erhöhen des Membranbereichs die Leistungsfähigkeit des Reglermechanismus. Um die Leistungsfähigkeit zu optimieren, sollte die Größe der Membran für jede bestimmte Stiftkörpergröße maximiert werden. Mehrere Alternativen können verwendet werden, um die Standfläche des Reglermechanismus zu reduzieren. Die Membran des Reglermechanismus muß nicht notwendigerweise rund sein; ein effektiver Bereich und nicht eine effektive Form ist alles, was in der Kraftausgleichsgleichung des druckgeregelten Stiftsystems benötigt wird. Daher kann eine rechteckige oder ovale oder sogar eine quadratisch geformte Membran verwendet werden. Ein solches Ausführungsbeispiel ist in Fig. 5 gezeigt.
Ein druckgeregelter Stiftkörper 501 (der mit einer Abdeckung oder Seitenplatte entfernt gezeigt ist) weist eine lokale Tintenaufnahmekammer 503 auf. Ein geeigneter. Druckkopfmechänismus, wie z. B. derjenige, der in Fig. 1 gezeigt ist, ist für den Anhang angepaßt, wie es durch Entwurfszweckmäßigkeiten für die Stiftausrichtung bezüglich der Druckmediumplatte (nicht gezeigt) vorgegeben wird. Wie bei Fig. 2 sind ein Federbefestigungsständer 541 (siehe auch Fig. 2, Element 241), ein Federspannungseinstellungsschraubensitzständer 543 (siehe auch 243, 245, 249) und ein hohles Tinteneinlaßröhrenbauglied 547 (siehe auch 247, 247') vorgesehen. Das Tinteneinlaßröhrenbauglied 547 liefert einen Kanal zum Koppeln der Tintenaufnahmekammer 503 mit einem entfernten Tintenreservoir (nicht gezeigt), wie z. B. mit einer einfachen Röhre oder einer anderen Tintenleitung. (nicht gezeigt).
In der Tintenaufnahmekammer 503 ist eine rechteckige Membran 523 (siehe auch 223) entlang dem Umfang derselben befestigt, um einen entsprechenden Hohlraum in dem Stiftkörper 501 im wesentlichen abzudichten (bei dieser Ansicht versteckt; siehe auch 224, 219). Ein Tor 519 verbindet den Hohlraum mit der Umgebungsatmosphäre. Das Tor 519 ist vorzugsweise ein relativ langer, schmaler Kanal oder ein Labyrinth, um den Dampfverlust zu reduzieren, während die Membran 523 nach wie vor Umgebungsatmosphärendruckänderungen ausgesetzt bleibt.
Eine Torsionsfeder 531 (siehe auch 231) ist auf dem Federbefestigungsständer 541 befestigt. Die Torsionsfeder 531 ist befestigt, so daß ein Ende 532 nahe zu der Federspule ist und mit dem Federspannungseinstellungsschraubensitzständer. 543 und der Einstellungsschraube in demselben (nicht gezeigt; aber siehe Fig. 2, Elemente 232, 245, 249) gekoppelt ist. Ein Distalausdehnungsbauglied 534 (siehe auch 234) der Torsionsfeder 531 erstreckt sich durch ein Tauchkolbenarmbauglied 530. Das Tauchkolbenarmbauglied 530 ist mit einem Tauchkolbenständerbauglied 535 (siehe auch 235) gekoppelt, das wiederum mit einem Tauchkolbenarmbauglied 529 (siehe auch 229) gekoppelt ist. Das Tauchkolbenarmbauglied 530 trägt außerdem eine Ventilsitzbefestigung 530'.
Der innere Umfang des Tinteneinlaßröhrenbauglieds 547 weist eine Öffnung auf, wie z. B. eine geformte Öffnung oder dergleichen, in die Tinteneinlaßkammer 503, die In Verbindung mit dem Ventilsitz 533 und der Torsionsfederanordnung in der Kammer 503 wirkt, um als ein Ventilmechanismus zu arbeiten.
Der Betrieb des in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiels ist im wesentlichen gleich wie bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel von Fig. 2 bis 4, wie es oben beschrieben wurde.
Mit Bezugnahme auf Fig. 6 und 6A wurde herausgefunden, daß es vorteilhaft ist, den Membranbiegungsmechanismus so reibungslos wie möglich zu machen. Dadurch werden Schwankungen bei dem Gegendruck reduziert und der Stiftbetrieb ist konstanter. Ein Stiftkörperbasisbauglied 609 liefert einen ähnlichen Mechanismus für eine Membran 622 und einen Tauchkolbenmechanismus 629, wie bei den in Fig. 2 bis 5 gezeigten Ausführungsbeispielen. Ein Tauchkolbenarm 630 ist mit einer freischwebenden Torsionsfeder 631 gekoppelt. Ein Tauchkolbenständerbauglied 631' des Tauchkolbenarms 630 weist eine Ausnehmung 631" (Fig. 6A) oder einen anderen Mechanismus zum festen Erfassen eines Endes 632 der Feder 631 auf. Schnappvorrichtungen 650 oder andere Haltemechanismen entlang des Tauchkolbenarms 630 befestigen ein Tauchkolbenarmfederausdehnungsbauglied 634 fest an dem Tauchkolbenarm 630. Ein Ventilsitz 633 und ein Einlaßventilmechanismus 647 sind auf eine Weise vorgesehen, die im wesentlichen identisch ist zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen, die bereits beschrieben wurden. Ein entgegengesetztes Federende 632 ist fest eingefangen (oder für die Einstellung entworfen, wie es bei den Ausführungsbeispielen von Fig. 2 bis 5 gezeigt ist) in einer Ausnehmung 643' eines Basisbaugliedbefestigungsständer 643, wie z. B. mit Schnappvorrichtungen 650'.
Der Betrieb der Ausführungsbeispiele von Fig. 6 und 6A ist identisch zu dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 bis 5, nur sind bei dieser Konfiguration, wo die Feder am Ende befestigt ist und die Federspule freischwebend ist, die Reibungseinflüsse auf die Membran minimiert.
Es ist anzumerken, daß zusätzlich zum Beibehalten der Stiftaufnahmekammer in einem richtigen Gegendruckgleichgewicht die Vorrichtung verwendet werden kann, um den Druckkopf "vorzubereiten". Durch manuelles Drücken der Membran, wie z. B. durch Zwingen eines Drucks durch die Lüftungsöffnung (siehe Fig. 4, Element 214), könnte das Reglerventil offengehalten werden und Tinte in die Aufnahmekammer gezwungen werden, bis alle Luft oder Gase von der Tinte durch die Öffnungsplatte oder einen Gasreinigungslüftungsmechanismus ausgestoßen sind.
Die vorhergehende Beschreibung der bevorzugten und alternativen Ausführungsbeispiele der Vorliegenden Erfindung wurde zu Darstellungs- und Beschreibungszwecken dargelegt. Sie soll nicht ausschließend sein oder die Erfindung auf die genau offenbarte Form begrenzen. Offensichtlich werden für einen Fachmann auf diesem Gebiet viele Modifikationen und Variationen klar sein. Gleichartig dazu können alle beschriebenen Prozeßschritte mit anderen Schritten ausgetauscht werden, um das gleiche Ergebnis zu erzielen. Die Ausführungsbeispiele wurden gewählt und beschrieben, um die Prinzipien der Erfindung und ihren besten Modus der praktischen Anwendung am besten zu erklären, um es dadurch anderen Fachmännern auf diesem Gebiet zu ermöglichen, die Erfindung für verschiedene Ausführungsbeispiele und mit verschiedenen Modifikationen zu verstehen, wie sie für die spezielle erwägte Anwendung geeignet sind. Der Schutzbereich der Erfindung soll durch die angehängten Ansprüche und deren Äquivalente definiert sein.

Claims

1. Eine Tintenstrahlstiftvorrichtung, die für die Verwendung mit einem Tintenreservoir angepaßt ist, das einen Mechanismus zum Zuführen von Tinte von dem Tintenreservoir zu der Tintenstrahlstiftvorrichtung mit einem vorbestimmten Zuführdruck aufweist, wobei die Tintenstrahlstiftvorrichtung gekennzeichnet ist durch:

einen Stiftkörper (1, 201, 501), der eine Tintenaufnahmekammer (3b, 203, 503) aufweist;

einen Tintenstrahldruckkopfmechanismus (7, 207), der mit dem Stiftkörper (1, 201, 501) gekoppelt ist und in Fluidkommunikation mit der Tintenaufnahmekammer (3b, 203, 503) ist;

eine Kopplungseinrichtung (11, 12, 247, 247', 211, 547, 511, 647, 633) zum Koppeln der Tintenaufnahmekammer (3b, 203, 503) mit dem Tintenreservoir; und

eine Regeleinrichtung (12, 211-249, 223-235, 623-650), die in der Tintenaufnahmekammer (3b, 203, 503) befestigt ist und mit der Kopplungseinrichtung (11, 12, 247, 247', 211, 547, 511, 647, 633) gekoppelt ist, zum Regeln eines Tintenflusses in die Tintenaufnahmekammer (3b, 203, 503) von dem Tintenreservoir über die Kopplungseinrichtung (11, 12, 247, 247', 211, 547, 511, 647, 633), während ein vorbestimmter, im wesentlichen konstanter Gegendrucksollwert an dem Druckkopfmechanismus (7, 207) während variierender Tintenflußraten von dem Tintenreservoir in die Tintenaufnahmekammer (3b, 203, 503) beibehalten wird,

wobei die Regeleinrichtung (12, 211-249, 223- 235, 623-650) folgende Merkmale umfaßt:

eine Ventileinrichtung (12, 33, 211, 511, 633, 647) zum Variieren der Tintenflußrate und zum Verhindern des Tintenflusses von dem Tintenreservoir in die Tintenaufnahmekammer (3b, 203, 503),

und

eine Vorspannungseinrichtung (29, 31, 55, 57, 231, 232, 234, 235, 629, 631-650'), die während variierender Tintenflußraten von dem Tintenreservoir in die Tintenaufnahmekammer (3b, 203, 503) eine im wesentlichen konstante Vorspannungskraft aufweist, und die mit der Ventileinrichtung (12, 33, 211, 511, 633, 647) zum Öffnen und Schließen der Ventileinrichtung gekoppelt ist, und die eine Torsionsfeder (31, 55, 57, 231, 232, 234, 531, 532, 631, 632) mit einer im wesentlichen konstanten Federkraft umfaßt, und

zumindest ein aufblasbares Beutelbauglied (23), das auf einer Ventilsitzbefestigung (29) befestigt ist und mit umgebungsatmosphärischem Druck gekoppelt ist, so daß sich das Beutelbauglied (23) ansprechend auf den Unterschied zwischen dem umgebungsatmosphärischen Druck und dem vorbestimmten Gegendrucksollwert aufbläst und entleert.

2. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, die ferner gekennzeichnet ist durch:

eine Einstelleinrichtung (245, 1249) zum Einstellen des vorbestimmten Gegendrucksollwerts.

3. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Einrichtung zum Öffnen und Schließen (19, 19', 25, 27, 213, 223, 519, 523, 623) der Ventileinrichtung (12, 33, 211, 511, 633, 647) gekennzeichnet ist durch:

einen Ventilsitz (33, 211, 511, 633), der bewegbar ist, um die Ventileinrichtung zu öffnen und zu schließen,

eine Ventilsitzbefestigung (29, 230, 530', 630), auf der der Ventilsitz (33, 211, 511, 633) befestigt ist, und

bei der die Vorspannungseinrichtung. (31, 55, 57, 231, 232, 234, 235, 531543, 629, 631-650') mit der Ventilsitzbefestigung (29, 230, 530', 630) gekoppelt ist, zum Halten des Ventilsitzes (33, 211, 511, 633) in einer Position, die die Ventileinrichtung schließt, bis die Vorspannungskraft durch den umgebungsatmosphärischen Druck überwunden wird.