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Die Erfindung betrifft allgemein
mikrostrukturtragende Filmoberflächen.
Insbesondere betrifft die Erfindung Vorrichtungen mit und Verfahren
zur Verwendung von Schichten von mikrostrukturierten Filmoberflächen als
Reservoir zum Speichern und Abgeben von Flüssigkeiten.
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Hintergrund
der Erfindung
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Mikrostrukturierte Filmoberflächen werden
in vielen verschiedenen Erzeugnissen und Verfahren verwendet. Beispielsweise
betreffen die US-Patente 5 069 403 und 5 133 516 mikrostrukturtragende
Filmflächen,
die verwendet werden, um den Strömungswiderstand
eines Fluids zu reduzieren, das über
eine Oberfläche
strömt.
Insbesondere wird ein anpassungsfähiges Flachmaterial offenbart,
das eine gemusterte erste Fläche
mit einer Serie von parallelen Erhebungen aufweist, die durch eine
Serie von parallelen Vertiefungen voneinander getrennt sind.
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Außerdem sind mikrostrukturtragende
Filmflächen
bisher verwendet worden, um Fluide zu transportieren. Beispielsweise
betreffen die US-Patente 5 514 120 und 5 728 446 absorbierende Artikel, z.
B. Windeln, mit einem Flüssigkeitshandhabungsfilm,
der eine Flüssigkeit
schnell und gleichmäßig von einer
flüssigkeitsdurchlässigen Deckschicht
zu einem absorbierenden Kern transportiert. Der Flüssigkeitshandhabungsfilm
ist eine Bahn, normalerweise flexibel, mit mindestens einer mikrostrukturtragenden hydrophilen
Oberfläche
mit mehreren darauf ausgebildeten Rillen oder Kanälen.
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Dennoch sind weitere neue und geeignete Anwendungen
für mikrostrukturierte
Filmoberflächen gefragt.
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US-A-2 648 309 offenbart einen Schreibstift, der
eine Kapillarwirkung verwendet, um unter Verwendung einer gefalteten
perforierten Materialbahn ein Reservoir zu füllen, das ein Beschickungselement
bilden soll. Die Tinte strömt
diagonal aus den Kapillarräumen
im Kernteil durch die Kapillarräume im
Beschickungselement, die durch die Öffnungen mit dem Schlitz in
der Spitze verbunden sind.
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US-A-2 522 554 offenbart einen Schreibstift mit
einem Füllkörperelement,
das aus einer gerollten Schicht aus dünnwandigem Bahnmaterial und
einer Abstandsfolie aus gewebtem Material ausgebildet ist, wobei
das gewebte Material einen Kapillarraum zwischen Windungen des Wandmaterials
darstellt. Einige der Fäden
des gewebten Materials sind so getrennt, daß ein Beschickungselement entsteht,
und sind in die Spitze eingeführt,
so daß mehrere
im allgemeinen kapillare Durchgänge
von der Spitze zum Beschickungselement entstehen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis,
daß mikrostrukturierte
Filme mit Kanälen
oder Rillen, die auf einer Hauptfläche des Films ausgebildet sind, wenn
sie gestapelt, abgedeckt und/oder anderweitig in Schichten angeordnet
sind, eine Anordnung von Kapillaren zum Halten und Abgeben einer
Flüssigkeit bilden
können.
Eine Flüssigkeit
kann gespeichert und anschließend
auf verschiedene Weise abgegeben, entnommen oder anderweitig aus
dem Reservoir entfernt werden. Beispielsweise können die Öffnungen der Kanäle in eine
Flüssigkeit
eingeführt
werden, die das Filmmaterial so benetzen kann, daß die Kapillarwirkung
bewirkt, daß die
Flüssigkeit
in die Anordnung der Kanäle
befördert
wird. Wenn die Öffnungen
der Kanäle
aus der Flüssigkeit
entfernt sind, bewirken Anziehungskräfte zwischen der Flüssigkeit
und den Innenflächen
der Kanäle,
daß die
Flüssigkeit
in den Kanälen
verbleibt, so daß die
Flüssigkeit
innerhalb der Anordnung von Kanälen
effektiv gehalten wird. Wenn ein ausreichendes Potential zur Überwindung der
Anziehungskräfte
an die Öffnungen
der Kanäle angelegt
wird, bewegt sich die Flüssigkeit
zu den Öffnungen
und aus den Kanälen
heraus, so daß die
vormals gehaltene Flüssigkeit
aus den Kanälen
abgegeben wird. Die Schichten, in denen die Kanäle ausgebildet sind, können gefertigt
und gestapelt, abgedeckt und/oder anderweitig in Schichten angeordnet sein,
und zwar in einer li nearen, gleichmäßigen Art und Weise, um eine
anisotrope (d. h. richtungsabhängige)
Verteilung, Entnahme oder Entfernung einer Flüssigkeit bei Bedarf auf eine
kontrollierbare Weise zu erleichtern.
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Erfindungsgemäße Reservoire sind insofern wirkungsvoll,
als ein hoher Prozentsatz der im Reservoir gespeicherten Flüssigkeit
schließlich
verteilt, entnommen oder anderweitig entfernt werden kann, und sind
aus vielen verschiedenen Materialien, einschließlich relativ billiger, flexibler
oder starrer Polymere, leicht und wirtschaftlich herzustellen. Die
strukturierten Flächenmerkmale
des Reservoirs sind höchst
kontrollierbar, vorhersagbar und geordnet und können mit hoher Zuverlässigkeit
und Wiederholbarkeit unter Verwendung von Mikronachildung oder anderen
Techniken ausgebildet werden. Die Reservoire können in hochvariablen Konfigurationen
hergestellt werden, um die Anforderungen der Speicherung und der
Verteilung, der Entnahme und sonstigen Entfernung in einer gegebenen
Anwendung zu erfüllen. Diese
Variabilität
wird in folgenden Merkmalen manifestiert: strukturierte Oberflächenmerkmalmöglichkeiten
(z. B. gesonderte oder offene Kanäle), Kanalkonfigurationen (z.
B. breite, schmale, V-förmige, rechteckige,
primäre
und/oder sekundäre
Kanäle), Stapelkonfigurationen
(z. B. verbundene oder nichtverbundene, Deckschichten, Nichtdeckschichten, hinzugefügte Schichten,
ausgerichteten Kanäle,
Versatzkanäle
und/oder Kanalmuster) und Kanalauslässe (z. B. Größe, Konfiguration
oder Muster). Außerdem
können
die Schichten behandelt werden, um die Benetzbarkeit der strukturierten
Oberfläche
zu erhöhen
oder zu verringern, oder zu anderen Zwecken.
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Ein erfindungsgemäßes Reservoir weist mindestens
eine mikrostrukturierte Filmschicht mit mehreren langgestreckten
Kanälen
auf, die auf einer strukturierten Oberflächen des mikrostrukturierten Films
ausgebildet sind. Das Reservoir weist auch eine der strukturierte
Fläche
des mikrostrukturierten Films benachbarte Deckschicht auf.
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Eine erfindungsgemäße Flüssigkeitsabgabevorrichtung
weist ein Reservoir auf, in dem Flüssigkeit in mehreren langgestreckten
Kanälen
gespeichert werden kann, die aus überein ander angeordneten Schichten
eines mikrostrukturierten Films ausgebildet sind. Mindestens eine
mikrostrukturierte Filmschicht hat einen Abgaberand, und mindestens
ein langgestreckter Kanal hat einen Auslaß am Abgaberand. Die Flüssigkeitsabgabevorrichtung
weist auch ein Übertragungselement
auf, das in Fluidkommunikation mit dem Abgaberand des Reservoirs
ist, der eine Stelle darstellt, von der eine im Reservoir gespeicherte
Flüssigkeit
kontrollierbar abgegeben werden kann.
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In einer Ausführungsform kann eine erfindungsgemäße Flüssigkeitsabgabevorrichtung
die Form einer Tintenstrahlpatrone mit einem Gehäuse mit einer Öffnung und
einem in dem Gehäuse
angeordneten Reservoir haben. Das Reservoir weist mehrere langgestreckte
Kanäle
auf, die aus übereinander angeordneten
Schichten eines mikrostrukturierten Films ausgebildet sind. Mindestens
eine Schicht hat einen Abgaberand, und mindestens ein langgestreckter
Kanal hat einen Auslaß am
Abgaberand. Eine Flüssigkeit
(z. B. Tinte) kann in den Kanälen
des Reservoirs gespeichert werden. Die Tintenstrahlpatrone weist
auch ein Übertragungselement
auf, das in Fluidkommunikation mit der Abgabekante des Reservoirs
ist. Das Übertragungselement
ist im Gehäuse so
angeordnet, daß das Übertragungselement
durch die Öffnung
zugänglich
ist, um eine Stelle bereitzustellen, von der im Reservoir gespeicherte
Flüssigkeit
kontrollierbar abgegeben werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform
kann die erfindungsgemäße Flüssigkeitsabgabevorrichtung die
Form eines Schreibinstruments haben. Das Schreibinstrument weist
ein langgestrecktes, röhrenförmiges Gehäuse mit
einer Öffnung
an einem Ende auf, in dem ein Reservoir angeordnet ist. Das Reservoir
weist mehrere langgestreckte Kanäle
auf, die aus übereinander
angeordneten Schichten eines mikrostrukturierten Films ausgebildet
sind, in denen Flüssigkeit
(z. B. Tinte) gespeichert werden kann. Mindestens eine Schicht des
mikrostrukturierten Films hat einen Abgaberand, und mindestens ein langgestreckter
Kanal hat einen Auslaß am
Abgaberand. Das Reservoir ist in dem langgestreckten, röhrenförmigen Gehäuse so angeordnet,
daß der
Abgaberand durch die Öffnung
zugänglich
ist. Außerdem weist
das Schreibinstrument eine Spitze auf, die einen Abschnitt hat, der
durch die Öffnung
in das Ende des langgestreckten röhrenförmigen Gehäuses so eingefügt ist,
daß die
Spitze in Fluidkommunikation mit dem Abgaberand ist und daß die Flüssigkeit durch
die Spitze aus dem Reservoir kontrollierbar abgegeben werden kann.
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Ferner betrifft die Erfindung ein
Flüssigkeitsabgabeverfahren.
Das Flüssigkeitsabgabeverfahren weist
die Schritte auf: Bereitstellen eines Reservoirs mit mehreren langgestreckten
Kanälen,
die aus übereinander
angeordneten Schichten eines mikrostrukturierten Films ausgebildet
sind, Speichern einer Flüssigkeit
in den Kanälen
des Reservoirs und kontrollierbares Abgeben der Flüssigkeit,
die in den Kanälen
des Reservoirs gespeichert ist.
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Ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren weist
auf: Bereitstellen eines Reservoirs, das mindestens eine Schicht
eines mikrostrukturierten Films mit mehreren langgestreckten Kanälen aufweist,
die auf einer strukturierten Oberfläche des mikrostrukturierten
Films ausgebildet sind, Speichern einer Flüssigkeit in den Kanälen des
Reservoirs und Entnehmen der in den Kanälen des Reservoirs gespeicherten
Flüssigkeit
bei Bedarf.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine isometrische, schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Flüssigkeitsabgabevorrichtung. 2 ist eine isometrische, schematische
Schnittansicht des Reservoirs der in 1 gezeigten
Flüssigkeitsabgabevorrichtung.
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3 ist
ein Querschnittsprofil einer mikrostrukturierten Schicht mit V-förmigen Kanälen, die zwischen
aneinander angrenzenden, spitzen Erhebungen ausgebildet sind, wobei
die Schicht in eine erfindungsgemäße Flüssigkeitsabgabevorrichtung einbezogen
sein kann.
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4 ist
ein Querschnittsprofil einer mikrostrukturierten Schicht mit Kanälen, die
zwischen spitzen Erhebungen ausgebildet sind, die durch ebene Böden getrennt
sind, wobei die Schicht in eine erfindungsgemäße Flüssigkeitsabgabevorrichtung
einbezogen sein kann.
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5 ist
ein Querschnittsprofil einer mikrostrukturierten Schicht mit Kanälen, die
primäre
und sekundäre
Rillen aufweisen, die zwischen primären und sekundären spitzen
Erhebungen ausgebildet sind, wobei die Schicht in eine erfindungsgemäße Flüssigkeitsabgabevorrichtung
einbezogen sein kann.
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6 ist
ein Querschnittsprofil einer mikrostrukturierten Schicht mit Kanälen, die
zwischen abgeflachten Erhebungen ausgebildet sind, die durch ebene
Böden voneinander
getrennt sind, wobei die Schicht in eine erfindungsgemäße Flüssigkeitsabgabevorrichtung
einbezogen sein kann.
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7 ist
ein Querschnittsprofil einer mikrostrukturierten Schicht mit primären und
sekundären Rillen,
die zwischen primären
und sekundären
abgeflachten Erhebungen ausgebildet sind, die durch ebene Böden voneinander
getrennt sind, wobei die Schicht in eine erfindungsgemäße Flüssigkeitsabgabevorrichtung
einbezogen sein kann.
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8 ist
eine ausführliche
Ansicht eines Abschnitts der in 7 gezeigten
mikrostrukturierten Schicht.
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9 ist
ein Querschnittsprofil einer mikrostrukturierten Schicht mit rechteckigen
Kanälen,
die zwischen rechteckigen Erhebungen ausgebildet sind, die durch
ebene Böden
voneinander getrennt sind, wobei die Schicht in eine erfindungsgemäße Flüssigkeitsabgabevorrichtung
einbezogen sein können.
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10 ist
eine isometrische Ansicht einer erfindungsgemäßen Flüssigkeitsabgabevorrichtung
in Form einer Tintenstrahlpatrone.
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11 ist
eine auseinandergezogene, isometrische Ansicht der in 10 gezeigten Tintenstrahlpatrone.
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12 ist
eine detaillierte Schnittansicht der in 10 gezeigten Tintenstrahlpatrone, geschnitten entlang
der Ebene 12-12.
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13 ist
eine isometrische Ansicht einer erfindungsgemäßen Flüssigkeitsabgabevorrichtung
in Form eines Schreibinstruments.
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14 ist
eine auseinandergezogene, isometrische Ansicht des in 13 gezeigten Schreibinstruments.
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15 ist
eine detaillierte Schnittansicht des in 13 gezeigten Schreibinstruments, geschnitten entlang
der Ebene 15-15.
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16 ist
eine isometrische Ansicht eines erfindungsgemäßen Reservoirs mit einer einzelnen mikrostrukturierten
Schicht, wobei ein Abschnitt einer Deckschicht entfernt ist, um
einen Abschnitt der strukturierten Oberfläche zu zeigen.
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Diese Figuren, die idealisiert dargestellt
sind, sind nicht maßstabsgerecht
und haben lediglich darstellenden und keinen einschränkenden
Charakter.
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Ausführliche Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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Eine erfindungsgemäße Flüssigkeitsabgabevorrichtung 10 ist
in 1 in vereinfachter,
schematischer Form dargestellt. Die Abgabevorrichtung 10 weist
ein Reservoir 12 (vielleicht am besten in 2 dargestellt) auf, das aus übereinander
angeordneten Schichten 14 eines Materials ausgebildet ist,
wobei jede Schicht 14 eine strukturierte Oberfläche 16 auf mindestens
einer ihrer beiden Hauptflächen
hat. Die Schichten 14 mit strukturierten Oberflächen 16 sind allgemein
als mikrostrukturierte Filme bekannt. Wie in 2 gezeigt, haben die strukturierten Oberflächen 16 mehrere
Kanäle
(oder Rillen) 18, die in den Schichten 14 ausgebildet
sind, die gleichmäßig und regelmäßig im wesentlich
entlang jeder Kanallänge und
von Kanal zu Kanal laufen. Die Kanäle 18 erstrecken sich
vollständig
von einem Rand zum anderen Rand der strukturierten Oberflächen 16;
obwohl man beachten muß,
daß die
Kanäle 18 sich
nur entlang einem Abschnitt einer oder mehrerer der strukturierten Oberflächen 16 erstrecken
können.
Jeder Kanal 18 kann einen oder mehrere Auslässe 20 haben.
Die Auslässe 20 können entlang
einem Rand jeder Schicht 14 ausgebildet sein, und jede
Schicht 14 kann einen Abgaberand 22 haben, durch
den Flüssigkeit
hindurch gelassen werden kann. Man beachte jedoch, daß ein oder
mehrere Kanäle 18 ohne
Auslässe 20 ausgebildet
sein können.
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Die Schichten 14 können aus
einem flexiblen, halbstarren oder starren Material bestehen, das je
nach der bestimmten Anwendung der Flüssigkeitsabgabevorrichtung 10 gewählt werden kann.
Die Schichten 14 weisen ein Polymermaterial auf, da solche
Materialien genau ausgebildet werden können, um eine mikrostrukturierte
Oberfläche 16 herzustellen.
Eine weitgehende vielseitige Verwendung ist möglich, da Polymermaterialien
viele verschiedene Eigenschaften besitzen, die für verschiedene Anforderungen
geeignet sind. Polymermaterialien können beispielsweise nach ihrer
Flexibilität,
Steifigkeit, Durchlässigkeit
usw. gewählt
werden. Die Verwendung einer Polymerschicht 4 ermöglicht es
außerdem,
eine strukturierte Oberfläche 16 gleichmäßig herzustellen,
um eine große
Anzahl und eine hohe Dichte von Kanälen 18 entstehen zu
lassen. Somit kann eine Flüssigkeitsabgabevorrichtung 10 in
hoher Größenordnung
bereitgestellt werden, die mit einem hohen Genauigkeits- und Wirtschaftlichkeitsgrad
hergestellt werden kann.
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Wenn die Schichten 14 gestapelt
werden, um eine Reservoir 12 auszubilden, können die
Kanäle 18 als
Kapillaren zur Erfassung, Speicherung und bei Bedarf zur Abgabe,
Entnahme und anderweitigen Entfernung einer Flüssigkeit wirken. Vorzugsweise
ist die Querschnittsfläche
der Kanäle 18 sehr
klein, damit jeder Kanal 18 sich unabhängig von den anderen Kanälen 18 leicht
mit Flüssigkeit
füllen
kann. Das heißt,
ein Kanal 18 kann beispielsweise vollständig mit einer ersten Flüssigkeit
gefüllt
werden, während ein
angrenzender Kanal 18 nur Luft oder eine zweite Flüssigkeit
enthalten kann. Die Kanäle 18 können jedes
Querschnittsprofil haben, das die gewünschte Kapillarwirkung ermöglicht (wobei
die gewünschte Kapillarwirkung
für bestimmte
Anwendungen einer minimalen oder keiner Kapillarwirkung entsprechen könnte), und
vorzugsweise eines, das sich leicht nachbilden läßt.
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Wie in 2 bis 3 gezeigt, bildet ein Kanalprofil,
das auf einer strukturierten Oberflächen 16 verwendet
werden kann, V-förmige
Kanäle 18 zwischen einer
Serie von aneinander angrenzenden, spitzen Erhebungen 24,
wobei jede Erhebung 24 aus zwei glatten Seitenwänden 26 gebildet
wird. Vertiefungen 28 werden zwischen den Erhebungen 24 gebildet,
wo zwei Seitenwände 26 sich
schneiden. Die Winkelöffnungsbreite 30,
die (wie in 3 gezeigt)
den Winkel zwischen zwei ebenen Seitenwänden 26 darstellt, die
einen Kanal 18 bilden, kann von etwa 10° bis etwa 120°, vorzugsweise
von etwa 10° bis
etwa 90° und
besonders bevorzugt von etwas 20° bis
etwa 60° reichen.
Es ist festgestellt worden, daß Kanäle 18 mit einer
schmaleren Winkelöffnungsbreite 30 eine
größere Kapillarwirkung
aufweisen; wenn die Winkelöffnungsbreite 30 jedoch
zu schmal ist, wird die Kapillarwirkung deutlich geringer. Wenn
die Winkelöffnungsbreite 30 zu
breit ist, können
die Kanäle 18 die gewünschte Kapillarwirkung
nicht aufbringen. Außerdem
ist festgestellt worden, daß,
wenn die Winkelöffnungsbreite 30 schmaler
wird, die Benetzungsfähigkeit
der strukturierten Oberfläche 16 durch
die Flüssigkeit
zur Erreichung der gleichen Kapillarwirkung nicht so hoch sein muß wie die
Benetzungsfähigkeit der
strukturierten Oberfläche 16 bei
Kanälen
mit höheren
Winkelöffnungsbreiten 30.
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Eine Schicht 114, eine weitere
Ausführungsform
eines mikrostrukturierten Films der in einer erfindungsgemäßen Flüssigkeitsabgabevorrichtung 10 verwendet
werden kann, ist in 4 gezeigt.
Das Querschnittsprofil der Schicht 114 weist Kanäle 118 auf,
die auf einer strukturierten Oberfläche 116 der Schicht 114 ausgebildet
sind. Die Kanäle 118 haben spitze
Erhebungen 124, die durch ebene Böden 130 getrennt sind,
so daß in
jedem Kanal 118 zwei Kerben 128 vorhanden sind,
die an Schnittpunkten zwischen Seitenwänden 126 und den ebenen
Böden 130 ausgebildet
sind. Die Kerben 128 haben einen Kerbenöffnungswinkel 132 von über 90° bis etwa 150°, vorzugsweise
von etwa 95° bis
etwa 120°.
Der Kerböffnungswinkel 132 ist
im allgemeinen der Sekantenwinkel, der von der Kerbe 128 bis
zu einem Punkt etwa 2 μm
bis etwa 1000 μm
von der Kerbe 128 an den Seitenwände 126 und den ebenen
Böden 130 gemessen
wird, die die Kerbe 128 bilden, vorzugsweise ist der Kerböffnungswinkel 132 der
Sekantenwinkel, der an einem Punkt etwa auf der halben Höhe der Seitenwände 126 und
den ebenen Böden 130 gemessen
wird.
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Eine Schicht 214, eine weitere
Ausführungsform
eines mikrostrukturierten Films, der in einer erfindungsgemäßen Flüssigkeitsabgabevorrichtung 10 verwendet
werden kann, ist in 5 gezeigt.
Das Querschnittsprofil der Schicht 214 weist Kanäle 218 auf,
die auf einer strukturierten Oberfläche 216 der Schicht 214 ausgebildet
sind. Die Kanäle 218 weisen primäre und sekundäre V-förmige Rillen 224 und 226 auf.
Die primären
Rillen 224 liegen zwischen zwei spitzen primären Erhebungen 228.
Jede primäre
Erhebung 228 wird am Scheitelpunkt von zwei primären ebenen
Seitenwände 230 gebildet.
Die sekundären Rillen 226 liegen
zwischen primären
Erhebungen 228 und spitzen sekundären Erhebungen 232 und zwischen
zwei sekundären
Erhebungen 232. Jede sekundäre Erhebung 232 wird
am Scheitelpunkt von zwei sekundären
ebenen Seitenwänden 234 gebildet.
Die Primärrillenwinkelöffnungsbreite 236,
die den Winkel zwischen zwei primären ebenen Seitenwänden 230 darstellt,
die eine primäre
Rille 224 bilden, ist weniger problematisch, sollte jedoch
nicht so breit sein, daß die
primäre
Rille 224 bei der Kanalisierung einer Flüssigkeit
unwirksam ist. Im allgemeinen ist die maximale Breite 240 des
primären
Kanals kleiner als etwa 3000 μm
und vorzugsweise kleiner als etwa 1500 μm. Die primäre Winkelöffnungsbreite 236 einer
V-förmigen
primären
Rille 224 sollte im allgemeinen von etwa 10° bis etwa
120°, vorzugsweise etwa
30° bis
etwa 90° reichen.
Wenn die primäre Winkelöffnungsbreite 236 der
primären
Rille 224 zu schmal ist, ist die primäre Rille 224 an ihrer
Basis möglicherweise
nicht breit genug, um eine angemessene Anzahl von sekundären Rillen 226 aufzunehmen.
Im allgemeinen wird bevorzugt, daß die primäre Winkelöffnungsbreite 236 der
primären
Rille 224 größer ist
als die sekundäre
Winkelöffnungsbreite 238, die
dem Winkel zwischen den beiden sekundären ebenen Seitenwänden 234 entspricht,
die eine sekundäre
Rille 226 bilden, um die beiden oder mehr sekundäre Rillen 226 an
der Basis der primären
Rille 224 aufzunehmen. Im allgemeinen haben die sekundären Rillen 226 eine
sekundäre
Winkelöffnungsbreite 238,
die bei V-förmigen primären Rillen
mindestens 20% kleiner ist als die primäre Winkelöffnungsbreite 236 der
primären
Rillen 224. Die Tiefe 242 der primären Rillen
und die Tiefe 244 der sekundären Rillen 226 sind
normalerweise im wesentlichen gleich.
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Eine Schicht 314, eine weitere
Ausführungsform
eines mikrostrukturierten Films, der in einer erfindungsgemäßen Flüssigkeitsabgabevorrichtung 10 verwendet
werden kann, ist in 6 gezeigt.
Das Querschnittsprofil der Schicht 314 weist Kanäle 318 auf,
die auf einer strukturierten Oberfläche 316 der Schicht 314 ausgebildet
sind. Die Kanäle 318 werden zwischen
abgeflachten Spitzen 324 gebildet, die durch ebene Böden 326 getrennt
sind. Die Erhebungen 324 haben abgeflachte Spitzen 328 und
zwei ebene Seitenwände 330.
Die Kerben 332 werden an Schnittpunkten zwischen den ebenen
Seitenwänden 330 und
den ebenen Böden 326 gebildet.
Die Kanäle 318 sind
mit einem Kerböffnungswinkel 334 im
Bereich von über
90° bis
etwa 150°,
vorzugsweise im Bereich von etwa 95° bis etwa 120° ausgebildet.
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Eine Schicht 414, noch eine
weiter Ausführungsform
eines mikrostrukturierten Films, der in einer erfindungsgemäßen Flüssigkeitsabgabevorrichtung 10 verwendet
werden kann, ist in 7 bis 8 gezeigt. Das Querschnittsprofil 414 weist
Kanäle 418 auf,
die auf einer strukturierten Oberfläche 416 der Schicht 414 ausgebildet
sind. Die Kanäle 418 haben primäre und sekundäre Rillen 424 und 426,
wobei die primären
Rillen 424 zwischen zwei abgeflachten primären Erhebungen 428 liegen
und die sekundären Rillen 426 zwischen
primären
Erhebungen 428 und abgeflachten sekundären Erhebungen 430 und
zwischen zwei sekundären
Erhebungen 430 liegen. Jede primäre Erhebung 428 hat
eine abgeflachte primäre
Spitze 432 und zwei primäre ebene Seitenwände 434,
und jede sekundäre
Erhebung 430 hat eine abgeflachte sekundäre Spitze 436 und
zwei sekundäre
ebene Seitenwände 438.
Die ebenen Böden 440 trennen
die primären
und sekundären
Erhebungen 428 und 430 voneinander. Die Kerben 444 liegen an
den Schnittpunkten zwischen den ebenen Böden 440 und den primären ebenen
Seitenwänden 434 und
an den Schnittpunkten zwischen den ebenen Böden 440 und den sekundären ebenen
Seitenwänden 438.
Die Kanäle 418 sind
mit einem Kerböffnungswinkel 446 ausgebildet,
der in 8 gezeigt ist,
im Bereich von über
90° bis
etwa 150°,
vorzugsweise im Bereich von etwa 95° bis etwa 120° ausgebildet.
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Eine Schicht 514, eine weitere
Ausführungsform
eines mikrostrukturierten Films, der in einer erfindungsgemäßen Flüssigkeitsabgabevorrichtung 10 verwendet
werden kann, ist in 9 gezeigt.
Das Querschnittsprofil der Schicht 514 weist Kanäle 518 auf,
die auf einer strukturierten Oberfläche 516 der Schicht 514 ausgebildet
sind. Die Kanäle 518 sind recht eckig
und zwischen rechteckigen Erhebungen 524 ausgebildet, die
durch ebene Böden 526 getrennt
sind. Die Erhebungen 526 haben abgeflachte Spitzen 528 und
zwei ebene Seitenwände 530.
Die Kerben 532 sind an den Schnittpunkten zwischen den
ebenen Seitenwänden 530 und
den ebenen Böden 526 ausgebildet.
Vorzugsweise sind die Kanäle 518 mit
einem Kerböffnungswinkel 534 von
etwa 90° ausgebildet.
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Die strukturierten Oberflächen 16, 116, 216, 316, 416 und 516 sind
mikrostrukturierte Oberflächen,
die Kanäle 18, 118, 218, 318, 418 bzw.
518 bilden, die minimale Seitenverhältnisse (d. h. Verhältnis zwischen
der Länge
des Kanals und seinem hydraulischen Radius) von 10 : 1, in bestimmten
Ausführungsformen
annähernd über 100
: 1 und in anderen Ausführungsformen
mindestens etwa 1000 : 1 aufweisen. Am oberen Ende könnte das
Seitenverhältnis
unbegrenzt hoch sein, wäre
im allgemeinen kleiner als etwa 1000000 : 1. Der hydraulische Radius
(d. h. die benetzbare Querschnittsfläche eines Kanals, geteilt durch
seinen benetzbaren Kanalumfang) eines Kanals ist nicht größer als
etwa 300 μm.
In vielen Ausführungsformen
kann er kleiner als 100 μm
und kleiner als 10 μm
sein. Obwohl kleiner bei vielen Anwendungen im allgemeinen besser
ist (und der hydraulische Radius unterhalb des Mikrometerbereichs liegen
könnte),
würde der
hydraulische Radius bei den meisten Ausführungsformen normalerweise nicht
kleiner als 1 μm
sein.
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Die strukturierte Oberfläche kann
auch mit einem sehr flachen Profil versehen sein. Die Reservoire 12 kann
man sich also so vorstellen, daß die strukturierte
Polymerschicht eine Dicke von weniger als 5000 μm und möglicherweise weniger als 1500 μm hat. Um
dies zu erreichen, können
die Kanäle durch
Erhebungen gebildet werden, die eine Höhe von annähernd 5 bis 1200 μm haben und
die einen Erhebungsabstand von etwa 10 bis 2000 μm haben.
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Erfindungsgemäße mikrostrukturierte Oberflächen stellen
Reservoire 12 bereit, in denen das Volumen des Reservoirs 12 stark
verteilt ist (d. h. über eine
große
Fläche
verteilt). Die Reservoire 12, deren Kanäle innerhalb dieser Parameter
liegen, können Volumen
von mindestens etwa 1,0 μl
haben, wobei Volumen in bestimmten Anwendungen mindestens etwa 2
ml und in anderen Anwendungen mindestens etwas 100 ml sein können. Die
Reservoire 12 haben vorzugsweise eine Mikrostrukturkanaldichte
von etwa 10 pro laufendem cm (25/Zoll) und bis zu 1000 pro laufendem
cm (25000/Zoll) (gemessen quer über die
Kanäle).
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Eine Abgabevorrichtung 10,
deren Kanäle 18 innerhalb
dieser Parameter liegen, ist zur Aufnahme und Speicherung einer
Flüssigkeit
mit minimalem Leckverlust geeignet. Ferner können die Kanäle 18 so
angepaßt
werden, daß die
bestimmte Flüssigkeit je
nach der Anzahl von Faktoren, einschließlich des gewünschten
effektiven Volumens des Reservoirs und der Viskosität und der
Oberflächenspannung
der Flüssigkeit
gespeichert und abgegeben wird. Wenn beispielsweise die Flüssigkeit
eine Zweiphasenflüssigkeit
mit suspendierten Partikeln ist (beispielsweise eine herkömmliche
Glanz- bzw. Glittertinte), sollte die Breite der Kanäle 18 so
breit sein, daß die
Partikel durch die Kanäle 18 gelangen
können.
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Obwohl 1 bis 9 langgestreckte, linear konfigurierte
Kanäle
darstellen, können
die Kanäle
in vielen anderen Konfigurationen bereitgestellt werden. Beispielsweise
könnten
die Kanäle
verschiedene Querschnittsbreiten entlang der Kanallänge haben,
d. h. die Kanäle
könnten
entlang der Länge
des Kanals divergieren und/oder konvergieren. Die Kanalseitenwände könnten auch
profiliert sein, anstatt in der Richtung der Ausdehnung des Kanals
oder in der Kanalhöhe
gerade zu sein. Im allgemeinen ist jede Kanalkonfiguration, die
die gewünschte
Kapillarwirkung aufweisen kann, vorstellbar.
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Die Herstellung strukturierter Oberflächen und
insbesondere mikrostrukturierter Oberflächen auf einer Polymerschicht,
z. B. auf einem Polymerfilm, sind in US-Patenten 5 069 403 und 5
133 516 offenbart, beide von Marentic et al. Strukturierte Schichten
können
auch einer kontinuierlichen Mikronachbildung unterzogen werden,
und zwar unter Verwendung der Prinzipien oder Schritte, die im US-Patent
5 691 846 von Benson, jr., et al. beschrieben sind. Weitere Patente,
die mikrostrukturierte Oberflächen
beschreiben, sind u. a. die US-Patente
5 514 120 von Johnston et al., 5 158 557 von Noreen et al., 5 175
030 von Lu et al. und 4 668 558 von Barber. Alle in diesem Abschnitt
angeführten
Patente sind hierin durch Bezug nahme aufgenommen. Beispielsweise
kann die Schicht 14 mit einer strukturierten Oberfläche 16 durch
ein Mikronachbildungsverfahren unter Verwendung eines Werkzeugs
mit einem Negativabdruck des gewünschten
Musters und einem Kanalprofil der strukturierten Oberfläche 16 ausgebildet werden.
Das Werkzeug kann hergestellt werden, indem eine glatte Acrylfläche mit
einem Diamantkerbwerkzeug geformt wird, um das gewünschte Mikrostrukturmuster
herzustellen, und die Struktur anschließend galvanisiert wird, um
ein Nickelwerkzeug auszubilden, das für Mikronachbildung geeignet
ist. Die strukturierte Oberfläche 16 kann
dann aus dem thermoplastischen Material durch Beschichtung oder thermisches
Prägen
unter Verwendung des Nickelwerkzeuges ausgebildet werden.
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Strukturierte Polymerschichten, die
mit solchen Techniken hergestellt werden, können einer Mikronachbildung
unterzogen werden. Die Bereitstellung von durch Mikronachbildung
strukturierte Schichten ist vorteilhaft, da die Oberflächen in
Massenproduktion, ohne wesentliche Schwankungen von Erzeugnis zu
Erzeugnis und ohne relativ komplizierte Verarbeitungstechniken zu
verwenden, hergestellt werden können. "Mikronachbildung" oder "durch Mikronachbildung
hergestellt" heißt Herstellung
einer mikrostrukturierten Oberfläche
in einem Verfahren, wo die strukturierten Oberflächenmerkmale eine individuelle
Merkmalechtheit während
der Herstellung von Erzeugnis zu Erzeugnis behalten, die um nicht
mehr als etwa 50 μm
schwankt. Die durch Mikronachbildung hergestellten Oberflächen werden
vorzugsweise so hergestellt, daß die
strukturierten Oberflächenmerkmale
eine individuelle Merkmalechtheit von Erzeugnis zu Erzeugnis während der Herstellung
behält,
die um nicht mehr als 25 μm schwankt.
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Erfindungsgemäß weist eine mikrostrukturierte
Oberfläche
eine Oberfläche
mit einer Topographie (Oberflächenmerkmale
eines Objekts, sein Ort oder Bereich) auf, die eine individuelle
Merkmalechtheit hat, die bei einer Auflösung zwischen etwa 50 μm und 0,05 μm, vorzugsweise
zwischen 25 μm
und 1 μm
gehalten wird.
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Schichten für jede der erfindungsgemäßen Ausführungsformen
können
aus vielen verschiedenen Polymeren und Copolyme ren, einschließlich thermoplastischen,
duroplastischen oder härtbaren Polymeren,
ausgebildet werden. Der Begriff 'thermoplastisch', wie er hier verwendet
wird, bezeichnet im Unterschied zu duroplastisch ein Polymer, das
weich wird und schmilzt, wenn es der Wärme ausgesetzt ist, und wieder
fest wird, wenn es gekühlt
wird und durch viele Zyklen hindurch geschmolzen und wieder verfestigt
werden kann. Ein duroplastisches Polymer dagegen erstarrt irreversibel,
wenn es erwärmt
und gekühlt
wird. Ein gehärtetes
Polymersystem, in dem Polymerketten miteinander verbunden oder vernetzt sind,
kann bei Raumtemperatur unter Verwendung chemischer Mittel und ionisierender
Strahlung ausgebildet werden.
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Polymere, die für die Ausbildung einer erfindungsgemäßen Schicht
mit einer strukturierten Oberfläche
geeignet sind, sind u. a. Polyolefine, z. B. Polyethylen und Polyethylencopolymere,
Polyvinylidendifluorid (PVDF) und Polytetrafluorethylen (PTFE). Weitere
polymere Materialien sind u. a. Acetate, Celluloseether, Polyvinylalkohole,
Polysaccharide, Polyolefine, Polyester, Polyamide, Poly(vinylchlorid),
Polyurethane, Polyharnstoffe, Polycarbonate und Polystyrol. Strukturierte
Schichten können
aus härtbaren Harzmaterialien,
z. B. aus Acrylaten oder Epoxidharzen, gegossen und auf radikalischen
Reaktionswegen gehärtet
werden, die chemisch, durch Wärmeeinwirkung,
UV-Strahlung oder Elektronenbestrahlung begünstigt werden.
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Wie nachstehend ausführlicher
beschrieben, gibt es Anwendungen, wo flexible Schichten 14 erwünscht sind.
Flexibilität
kann strukturierten Polymerschichten durch Polymere verliehen werden,
die beschrieben sind in den US-Patenten 5 450 235 von Smith et al.
und 5 691 846 von Benson, jr. et al., deren Inhalt hierin durch
Bezugnahme aufgenommen wird. Die gesamte Polymerschicht muß nicht
aus einem flexiblen Polymermaterial bestehen. Ein Hauptabschnitt
der Polymerschicht könnte
beispielsweise ein flexibles Polymer sein, während der strukturierte Abschnitt
oder ein Teil davon ein starreres Polymer sein könnte. Die in diesem Abschnitt
angeführten
Patente beschreiben eine derartige Verwendung von Polymeren, um
fle xible Erzeugnisse herzustellen, die mikrostrukturierte Oberflächen haben.
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Polymermaterialien mit Polymergemischen können durch
Schmelzmischung von aktiven Weichmachern, z. B. oberflächenaktive
Stoffe oder Antimikrobenmittel, modifiziert werden. Eine Oberflächenmodifikation
der strukturierten Oberflächen
kann durch Bedampfung oder covalentes Aufpfropfen von funktionellen "Komponenten" unter Verwendung
ionisierender Strahlung erfolgen. Verfahren und Techniken zum Aufpfropfen
von Monomeren auf Polypropylen beispielsweise durch ionisierende
Strahlung sind in den US-Patenten 4 950 549 und 5 078 925 beschrieben,
deren Inhalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen wird. Die Polymere
können
auch Zusätze
enthalten, die der strukturierten Polymerschicht verschiedene Eigenschaften
verleihen. Beispielsweise können
Weichmacher hinzugesetzt werden, um den Elastizitätsmodul
zu erhöhen,
um die Flexibilität zu
verbessern.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
können
dünne flexible
Polymerfilme verwenden, die als mikrostrukturiertes Element Parallellinientopographien
haben. Erfindungsgemäß versteht man
unter einem "Film" eine dünne (weniger
als 5 mm dicke), im allgemeinen flexible Polymermaterialbahn. Der
wirtschaftliche Wert bei der Verwendung von billigen Filmen mit
scharf abgegrenzten mikrostrukturtragenden Filmoberflächen ist
groß.
Flexible Filme können
in Kombination mit einem großen
Sortiment von Deckmaterialien verwendet werden.
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Da die erfindungsgemäßen Vorrichtungen mikrostrukturierte
Kanäle
aufweisen, verwenden die Vorrichtungen normalerweise viele Kanäle pro Vorrichtung.
Wie in einigen der nachstehend beschriebenen Ausführungsformen
dargestellt, können
erfindungsgemäße Vorrichtungen
ohne weiteres mehr als 10 oder 100 Kanäle pro Vorrichtung aufweisen.
In bestimmten Anwendungen kann die Vorrichtung mehr als 1000 oder
10 000 Kanäle
pro Vorrichtung haben.
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In der in 1 gezeigten Ausführungsform ist das Reservoir 12 der
Abgabevorrichtung 10 durch Übereinanderstapeln von Schichten 14 ausgebildet. Auf
diese Weise kann jede Anzahl von Schichten 14 zusammen
gestapelt werden, um ein Reservoir 12 mit einer gewünschten
Flüssigkeitskapazität (definiert
als Nutzvolumen der Kanäle 18)
für eine
bestimmte Anwendung auszubilden. Ein Vorteil der direkten Übereinanderstapelung
von Schichten 14 besteht darin, daß die zweite Hauptfläche jeder
Schicht 14 eine Abdeckung auf den Kanälen 18 der unteren angrenzenden
Schicht 14 darstellt. Dadurch kann jeder Kanal 18 zur
einer getrennten Kapillare werden, die Flüssigkeit unabhängig von
den anderen Kanälen 18 im
Reservoir 12 aufnimmt, speichert und abgibt. Tatsächlich kann
mehr als eine Art von Flüssigkeit
in einem solchen Reservoir 12 gespeichert werden, indem
verschiedene Zonen der Kanäle 18 mit
verschiedenen Flüssigkeiten
gefüllt
werden.
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Außerdem kann eine Schicht 14 mit
den Erhebungen 24 einiger oder aller strukturierter Oberflächen 16 einer
angrenzenden Schicht 14 verbunden werden, um die Erzeugung
getrennter Kanäle 18 zu verbessern.
Dies kann durch herkömmliche
Kleber erfolgen, die mit den Materialien der Schichten 14 kompatibel
sind, oder dies kann durch thermisches Verbinden, Ultraschallverbinden,
mechanische Vorrichtungen oder dgl. erfolgen. Die Verbindungen können vollständig entlang
der Erhebungen 24 mit der benachbarten Oberfläche 16 hergestellt
werden oder können
Punktverbindungen entsprechend einem geordneten Muster oder beliebig
sein. Als Alternative können
die Schichten 14 einfach übereinander gestapelt werden,
wobei die Druckkraft des Stapels (beispielsweise infolge der Schwerkraft,
die auf die Schichten 14 wirkt, oder eines Gehäuses, das
den Stapel umgibt) die Erzeugung von gesonderten Strömungskanälen 18 entsprechend
verbessern. In bestimmten Anwendungen müssen die Schichten 14 möglicherweise
nicht dicht miteinander verbunden sein, um die gewünschte Kapillarwirkung
in den Kanälen 18 zu
erzeugen.
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Um einige, vorzugsweise alle Kanäle 18 der obersten
Schicht 14 abzuschließen,
kann eine Deckschicht 38 vorgesehen sein, wie in 1 gezeigt. Diese Deckschicht 38 kann
auf die gleiche Weise oder auf eine andere Weise als die oben beschriebene
Verbindung zwischen den Schichten verbunden oder nicht verbunden
werden. Das Material für
die Deckschicht 38 kann das gleiche oder ein anderes Material
als das Material der Schichten 14 sein und kann im wesentlichen
für die
im Re servoir gespeicherte Flüssigkeit
undurchlässig
oder durchlässig sein.
Als Alternative kann die Deckschicht 38 einstückig mit
einem Gehäuse
(in 1 nicht dargestellt) ausgebildet
sein, das das Reservoir 12 oder Flüssigkeitsabgabevorrichtung 10 umgibt.
Die Deckschicht 38 hat typischerweise eine Dicke von 0,01
mm bis etwa 1 mm, noch typischer 0,02 mm bis 0,5 mm.
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Die Schichten 14 des Reservoirs 12,
wie in 2 gezeigt, können gestapelt,
abgedeckt und/oder anderweitig in Schichten angeordnet sein, so
daß die
Kanäle 18 in
einer genauen Anordnung mit den Kanälen 18 jeder Schicht 14 ausgerichtet sind,
die mit den Kanälen 18 der
anderen Schichten 14 in einer Linie verlaufen, wobei ein
regelmäßiges, ausgerichtetes
Kapillarmuster entsteht, wobei die Abgaberänder 22 der Schichten 14 glatt
abschließen, um
eine Abgabefläche 40 zu
bilden, die mehrere Auslässe 20 enthält. Als
Alternative können
diese Kanäle 18 regelmäßig und
wiederholt versetzt sein, oder sie können kontrolliert versetzt
sein. Zusätzlich sind
andere Kanal- und Schichtkonfigurationen denkbar. Außerdem können die
Schichten 14 so gestapelt sein, daß mindestens einige der Schichten 14 Kanäle 18 haben,
die nicht parallel zu den Kanälen 18 in
bestimmten anderen Schichten 14 sind (indem beispielsweise
Kanäle 18 einer
ersten Gruppe von Schichten 14 senkrecht zu den Kanälen 18 einer zweiten
Gruppe von Schichten 14 ausgerichtet sind), um mindestens
zwei Abgabeflächen 40 zu
bilden, die nicht parallel zueinander sind.
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In der in 1 gezeigten Ausführungsform ist mindestens ein Übertragungselement 42 mit
mindestens einer Abgabefläche 40 des
Reservoirs 12 und den dort enthaltenen Abgaberändern 22 in
Fluidkommunikation. Das Übertragungselement 42 stellt eine
Stelle dar, von der eine im Reservoir 12 gespeicherte Flüssigkeit
kontrolliert abgeben kann, und zwar durch Anlegen oder Entwickeln
eines Potentials, das ausreicht, um die Anziehungskräfte zwischen
den Wänden
der Kanäle 18 und
der in den Kanälen 18 gespeicherten
Flüssigkeit
zu überwinden, um
die Flüssigkeit
durch das Übertragungselement 42 aus
den Kanälen 18 herauszuziehen.
Das Übertragungselement 42 kann
jede Struktur aufweisen, die ein solches Potential anlegen oder
entwickeln kann. Beispielsweise kann das Übertragungselement
42 eine
zweite Kapillarstruktur aufweisen. Eine Kapillarstruktur, die eine
isotrope Ausbreitung (d. h. eine Ausbreitung von Flüssigkeiten
in allen Richtungen mit der gleichen Rate) einer Flüssigkeit
durch die Struktur fördert,
z. B. durch offenzellige Schäume, Fasermassen
und Sintermaterialien, kann als Übertragungselement 42 verwendet
werden. Ein solches isotropes Übertragungselement 42 kann
als eine Art Sammelkanal dienen, der die Flüssigkeit aus den verschiedenen
Kanälen 18 zwecks
Abgabe sammelt und zusammenführt.
Außerdem
können
zwei oder mehr gesonderte Übertragungselemente 42 auf
einer einzigen Abgabefläche 40 verwendet
werden, wo beispielsweise verschiedene Flüssigkeiten in verschiedenen
Zonen der Kanäle 18 im
Reservoir 12 gespeichert sind. In einem solchen Beispiel
könnte
ein gesondertes Übertragungselement 42 in
Fluidkommunikation mit den Kanälen 18 jeder
der Kanalzonen sein, wobei die Übertragungselemente 42 voneinander
getrennt (d. h. im wesentlichen nicht in Fluidkommunikation miteinander)
sind.
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Eine geeignete Flüssigkeit kann im Reservoir 12 gespeichert
werden, indem mindestens ein Abschnitt der Abgabefläche 40 des
Reservoirs 12 in die Flüssigkeit
geschoben wird (oder die Abgabefläche 40 anderweitig
in Fluidkommunikation mit der Flüssigkeit
gebracht wird). Eine geeignete Flüssigkeit kann eine Flüssigkeit
sein, die die Innenfläche
der Kanäle 18 im
wesentlichen so benetzen kann, daß ein Teil der Flüssigkeit
sich aufgrund der Kapillarwirkung in die Kanäle 18 verlagert und
Anziehungskräfte zwischen
der Flüssigkeit
in den Kanälen 18 und
den Wänden
der Kanäle 18 erzeugt
werden. Wenn die Abgabefläche 40 aus
der Flüssigkeit
entfernt wird (oder die Fluidkommunikation zwischen der Abgabefläche 40 und
der Flüssigkeit
anderweitig verhindert wird), sind die Anziehungskräfte zwischen
der Flüssigkeit
und den Kanälen 18 so
groß,
daß die
Flüssigkeit
in den Kanälen 18 gehalten
wird. Als Alternative kann die Flüssigkeit (z. B. eine Flüssigkeit,
die die strukturierte Oberfläche 16 im
wesentlichen nicht benetzen kann) in die Kanäle 18 des Reservoirs 12 unter
Druck oder unter einer anderen Kraft gezwungen werden, und dann
können
die Schichten 14 dicht verschlossen werden, um ein Entweichen
der Flüssigkeit
zu verhindern, oder das Reservoir 12 kann mit einer be reits
in den Kanälen 18 vorhandenen
Flüssigkeit
ausgebildet werden, indem beispielsweise Schichten 14 mit
Kanälen 18,
die mit einer Flüssigkeit benetzt
sind gestapelt werden.
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Die Flüssigkeit in den Kanälen 18 kann
aus dem Reservoir 12 durch Entwicklung eines Potentials,
das die Anziehungskräfte überwinden
und die Flüssigkeit
aus den Kanälen 18 herausziehen
kann, kontrolliert abgegeben werden. Ein Übertragungselement 42,
das mit der Abgabefläche 40 des
Reservoirs 12 in Fluidkommunikation gebracht werden kann,
kann verwendet werden, um eine Stelle bereitzustellen, wo das Potential
angelegt oder entwickelt werden kann, um die Flüssigkeit aus dem Reservoir 12 kontrolliert
abzugeben. Beispielsweise kann das Potential zum Herausziehen der
Flüssigkeit
aus den Kanälen 18 dadurch
entwickelt werden, daß ein Sauggerät in Fluidkommunikation
mit dem Übertragungselement 42 gebracht
wird, um ein Vakuum im Übertragungselement 42 zu
entwickeln, das die Flüssigkeit
aus den Kanälen 18 heraussaugt.
Als Alternative kann das Potential entwickelt werden, indem das Übertragungselement 42 (beispielsweise
durch Drücken
des Übertragungselement 42 gegen
eine Außenfläche) verformt
oder eine Charakteristik des Übertragungselements 42 (beispielsweise
durch Erhöhung
der Benetzbarkeit des Übertragungselements 42 durch
Sättigung
desselben mit einem oberflächenaktiven
Mittel) geändert
wird, um die Kapillarkraft zu erhöhen, die durch das Übertragungselement 42 relativ
zu der durch die Kanäle 18 erzeugten Kapillarkraft
erzeugt wird, um die Flüssigkeit
aus den Kanälen 18 herauszuziehen.
Außerdem
kann das Potential entwickelt werden, indem ein Fluid (z. B. ein unter
Druck stehendes Gas) in ein Ende der Kanäle 18 gedrückt, so
daß die
Flüssigkeit
durch das andere Ende hinausgeblasen wird. Zusätzlich kann die Flüssigkeit
abgegeben, entnommen oder anderweitig aus dem Reservoir 12 entfernt
werden, und zwar auf anderen Wegen – mit oder ohne Entwicklung
eines Potentials und mit oder ohne Verwendung eines Übertragungselements 42 – beispielsweise
indem die Nadel einer Spritze direkt in das Reservoir 12 eingestochen
und die Flüssigkeit
aus dem Reservoir 12 in die Spritze übertragen wird.
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Erfindungsgemäße Reservoire 12 und
Flüssigkeitsabgabevorrichtungen 10 können in
vielen verschiedenen Anwendungsfällen
verwendet werden. Beispielsweise kann eine erfindungsgemäße Flüssigkeitsabgabevorrichtung
in Form einer Tintenstrahlpatrone 50 hergestellt werden,
die verwendet werden kann, um in einem herkömmlichen Tintenstrahldrucker
Tinte abzugeben. Wie in 10 bis 12 gezeigt, weist eine Tintenstrahlpatrone 50 ein
Reservoir 52 auf, das aus übereinander angeordneten Schichten 54 eines
Materials mit mindestens einer strukturierten Oberfläche 56 ausgebildet
ist, auf der mehrere verschiedenen Kanäle 58 ausgebildet
sind. Ein Übertragungselement 60 ist
in Fluidkommunikation mit einer Abgabefläche (in 10–12 nicht dargestellt), die
auf einer Oberfläche
des Reservoirs 52 angeordnet ist. Das Reservoir 52,
die Schichten 54, die strukturierten Oberflächen 56,
die Kanäle 58,
das Übertragungselement 60 und
die Abgabefläche
des Reservoirs 52 entsprechen dem Reservoir 12,
den Schichten 14, den strukturierten Oberflächen 16,
den Kanälen 18,
dem Übertragungselement 42 bzw.
der Abgabefläche 40,
die oben in Verbindung mit der verallgemeinerten Flüssigkeitsabgabevorrichtung 10 beschrieben
sind, die in 1 bis 9 gezeigt ist. Ein Gehäuse 64 mit
beispielsweise einem ersten und zweiten Gehäusestück 66 und 68 umgibt
das Reservoir 52 und das Übertragungselement 60 und
hat eine Form, die in einen herkömmlichen
Druckkopf (nicht dargestellt) eines Tintenstrahldruckers eingefügt werden
kann. Eine erste Öffnung 70 ist
im Gehäuse 64 so
ausgebildet, daß zwischen
dem Übertragungselement 60 und
dem Druckkopf Fluidkommunikation hergestellt werden kann, um ein
Potential anzulegen oder zu entwickeln, das ausreicht, um Tinte
aus der Tintenstrahlpatrone 50 herauszuziehen. Normalerweise
ist eine zweite Öffnung 72 im
Gehäuse 64 ausgebildet,
um den Luftzustrom in die Tintenstrahlpatrone 50 zu fördern, was
die Entnahme der Tinte erleichtert.
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Die Tinte wird im Reservoir 52 der
Patrone 50 gespeichert, indem beispielsweise die Abgabefläche so in
die Tinte geschoben wird, daß die
Kapillarwirkung bewirkt, daß sich
die Tinte in die Kanäle 58 verlagert.
Als Alternative kann die Tinte durch Druck oder andere Kraft in
die Kanäle 58 gedrückt werden. Das Übertragungselement
ist dann an der Abgabefläche
befestigt, und das Reservoir 52 ist in das Gehäuse 64 eingefügt und von
diesem umgeben. Die Tinte wird auf herkömmliche Weise aus der Patrone 50 dadurch
kontrolliert abgegeben, daß die
Patrone 50 in einen herkömmlichen Tintenstrahldruckkopf eingefügt ist,
der ein Potential entwickelt, das ausreicht, um die Tinte beim Druckprozeß durch
die erste Öffnung 70 aus
den Kanälen 58 herauszuziehen. Das
Reservoir 52 der Patrone 50 hat vorzugsweise eine
Flüssigkeitskapazität im Bereich
von etwa 7 ml von etwa 10 ml, obwohl auch Patronen 50 mit
Reservoiren 52 mit Flüssigkeitskapazitäten über diesen Bereich
hinaus denkbar sind.
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Eine erfindungsgemäße Flüssigkeitsabgabevorrichtung
kann auch in Form eines Schreibinstrumentes 76, das Tinte
speichert und abgibt, hergestellt werden. Wie in 13 bis 15 gezeigt,
weist das Schreibinstrument 76 ein Gehäuse 78 auf, das ein
erfindungsgemäßes Reservoir 80 umgibt.
Das Gehäuse 78 hat
normalerweise eine langgestreckte, hohle, zylindrische Form. In
der in 13 bis 15 gezeigten Ausführungsform
ist das Reservoir 80 aus einer einzelnen, spiralförmig gewickelten
Schicht 82 eines Materials mit mindestens einer strukturierten
Oberfläche 84 ausgebildet
(in 15 gezeigt. Die
strukturierte Oberfläche 84 hat
mehrere Kanäle 86 (in 15 gezeigt), die mit der
Achse ausgerichtet sind, um die die Schicht 82 spiralförmig gewickelt
ist. Jeder Kanal 86 hat mindestens einen Auslaß (in 13 bis 15 nicht gezeigt), der an einem Rand
der Schicht 82 liegt. Eine Abgabefläche 90 (in 14 gezeigt) mit mehreren
dort angeordneten Auslässen
ist durch spiralförmiges
Wickeln der Schicht 82 ausgebildet. Das Schreibinstrument 76 hat
ein Übertragungselement in
Form einer Spitze 94, die in eine erste Öffnung 96 des
Gehäuses 78 so
eingefügt
ist, daß ein
Abschnitt der Spitze 94 mit der Abgabefläche 90 des
Reservoirs in Fluidkommunikation ist. Eine Endkappe 100 ist
in eine zweite Öffnung 102 des
Gehäuses 78 eingefügt, um das
Reservoir 80 im Gehäuse 78 fest
anzuordnen. Das Reservoir 80, die Schicht 82,
die strukturierten Oberflächen 84,
die Kanäle 86,
die Spitze 94 und die Abgabefläche 90 entsprechen
dem Reservoir 12, den Schichten 14, der strukturier ten Oberfläche 16,
den Kanälen 18,
dem Übertragungselement 42 bzw.
der Abgabefläche 40,
die oben in Verbindung mit der verallgemeinerten Flüssigkeitsabgabevorrichtung 10 beschrieben
sind, die in 1 bis 9 gezeigt ist.
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Die Tinte wird im Schreibinstrument 76 gespeichert,
indem beispielsweise die Abgabefläche 90 so in die Tinte
hineingeschoben wird, daß die
Tinte durch die Kapillarwirkung in die Kanäle 86 gezogen wird.
Die Abgabefläche 90 wird
dann aus der Tinte entfernt. Als Alternative kann die Tinte durch
Druck oder andere Kraft in die Kanäle 86 gedrückt werden. Die
Spitze 94 wird in die erste Öffnung 96 so eingefügt, daß die Spitze 94 mit
der Abgabefläche 90 in Fluidkommunikation
ist. Ein Potential, das ausreicht, um Tinte aus dem Reservoir 80 herauszuziehen, kann
entwickelt werden, indem beispielsweise die Spitze 94 auf
eine Oberfläche
gedrückt
wird, um die Oberfläche
mit Tinte zu markieren. Das Reservoir 80 des Schreibinstruments 76 hat
vorzugsweise eine Flüssigkeitskapazität von etwa
2 ml, obwohl auch Schreibinstrumente 76 mit Reservoiren 80 mit
anderen Flüssigkeitskapazitäten denkbar
sind.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist
eine einschichtige Flüssigkeitsabgabevorrichtung 610,
die in 16 gezeigt ist.
Die Flüssigkeitsabgabevorrichtung 610 hat
ein Reservoir 612, das aus einer einzigen Schicht 614 mit
einer strukturierten Oberfläche 616 von
langgestreckten Kanälen 618 ausgebildet
ist, die mit einer Deckschicht 638 abgedeckt sind, um Kapillaren
zur Speicherung der Flüssigkeit
zu bilden. Jeder Kanal 618 hat mindestens einen Auslaß 620,
der entlang eines Abgaberandes 622 der Schicht 614 ausgebildet
ist. Die Deckschicht 638 kann jede Art von Schicht sein,
nämlich
u. a. eine weitere Schicht 614, ein Abschnitt eines Gehäuses (nicht
dargestellt), das das Reservoir 612 umgeben kann. Außerdem kann
die Flüssigkeitsabgabevorrichtung 610 ohne Übertragungselement
(wie in 16 gezeigt)
oder mit einem Übertragungselement
(nicht dargestellt) ausgebildet sein. Das Reservoir 612,
die Schicht 614, die strukturierten Oberflächen 616,
die Kanäle 618,
die Auslässe 620,
der Abgaberand 622 und die Deckschicht 638 entsprechend
dem Reservoir 12, den Schichten 14, der strukturierten
Oberflächen 16,
den Kanälen 18,
den Auslässen
20,
dem Abgaberand 22 bzw. der Deckschicht 38, die
oben in Verbindung mit der verallgemeinerten Flüssigkeitsabgabevorrichtung 10 beschrieben
sind, die in 1 bis 9 gezeigt ist.
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Eine Flüssigkeit kann in einer einschichtigen Abgabevorrichtung 610 gespeichert
und aus dieser abgegeben, entnommen oder anderweitig entfernt werden,
wie oben in Verbindung mit der verallgemeinerten Flüssigkeitsabgabevorrichtung 10 beschrieben.
Die Abgabevorrichtung 610 kann als Mikroflüssigkeitsbehältervorrichtung
verwendet werden, die in Anwendungen geeignet ist, wo ein kleines
Flüssigkeitsvolumen
benötigt
wird, z. B. in der Kombinationschemie, Archivierungsmikroflüssigkeitsspeicherung
oder bei tragbarer Mikroflüssigkeitsabgabe.
Beispielsweise kann die Abgabevorrichtung 610 mit einem
Reservoir 612 mit einer Schicht 614 ausgebildet sein,
die 1 cm breit, 3 cm lang ist und Kanalgrößen im Bereich von etwa 5 μm bis etwa
1200 μm
hat, um ein Flüssigkeitsvolumen
von mindestens etwa 1,0 μl,
vorzugsweise mindestens etwa 25 μl
zu speichern.
-
Beispiel 1
-
Eine Tintenstrahlpatrone 50 der
in 10 bis 12 gezeigten Art wurde aus
14 Schichten eines 40 mm × 30
mm großen,
durch Mikronachbildung hergestellten Films mit darauf ausgebildeten
linearen Kanälen 58 zusammengefügt. Eine
dünne Schicht
einer geblasenen Mikrofaser wurde als isotropes Übertragungselement 60 verwendet.
Diese Anordnung wurde dann in einem herkömmlichen Tintenstrahlpatronengehäuse 64 untergebracht.
Der Patronenprototyp bestand zu 100 Polyolefinmaterialien. Die mikrostrukturtragende
Filmschicht, die in der Patrone 50 verwendet wurde, wurde
im allgemeinen nach dem in den US-Patenten 5 514 120 und 5 728 446
offenbarten Verfahren ausgebildet, nämlich durch Gießen eines
geschmolzenen Polymers auf ein mikrostrukturiertes Nickelwerkzeug,
um einen Endlosfilm mit Kanälen 58 auf
einer strukturierten Oberfläche 56 auszubilden.
Die Kanäle 58 wurden
in einer durchgehenden Länge
des gegossenen Films ausgebildet. Das Nickelgießwerkzeug wurde durch Formen
einer glatten Acryloberfläche
mit Diamantkerbwerkzeugen hergestellt, um die gewünschte Struktur
herzustel len, gefolgt von einem Galvanisierungsschritt, um ein Nickelwerkzeug
auszubilden. Das Werkzeug, das zur Ausbildung des Films verwendet
wurde, erzeugte eine mikrostrukturierte Oberfläche 56 auf der Filmschicht 54 mit
einem Kanalprofil der in 7 gezeigten
Art mit primären
Rillen mit einer Primärrillenwinkelöffnungsbreite
von 10°,
einem Primärrillenabstand von
229 μm,
einer Primärrillentiefe
von 203 μm
und einem Kerböffnungswinkel
von 95° und
mit sekundären
Rillen mit einer Sekundärrillenwinkelöffnungsbreite
von 95°,
einem Sekundärrillenabstand
von 50 μm
und einer Sekundärrillentiefe
von 41 μm.
Die Kanäle 58 hatten
eine Primärerhebungsoberkantenbreite
von 29 μm
und eine Sekundärerhebungsoberkantenbreite
von 163 μm
sowie eine Primärrillenbasisbreite
von 163 μm
und eine Sekundärrillenbasisbreite von
13 μm. Außerdem hatten
die Kanäle 58 eine
Primärrillenwandwinkelöffnungsbreite
von 10°.
Das Polymer, das verwendet wurde, um den Film auszubilden, war ein
Polyethylen niedriger Dichte, TeniteTM 1550P
von Eastman Chemical Company. Ein nichtionogenes oberflächenaktives
Mittel, Triton X-102 von Union Carbide Corporation wurde geschmolzen
in das Basispolymer eingemischt, um die Oberflächenenergie und die Benetzbarkeit
des Films zu erhöhen. Das
geblasene Mikrofaserübertragungselement 60 war
eine 2 mm dicke Schicht aus einem chemischen Sorptionsmittel von
3M. Das verwendete Gehäuse 64 stammte
von einer Canon-Tintenpatrone, Typ BJI-201Y, aus dem alle inneren
Elemente (einschließlich
Schaumstoff und Trennwände)
entfernt waren.
-
Die Fähigkeit der Tintenstrahlpatrone 50, Tinte
festzuhalten und effektiv auszugeben, wurde bewertet, indem die
Einheit mit 7 g herkömmlicher Druckertinte
gefüllt
wurde. Nach dem Füllen
wurde die Tintenstrahlpatrone 50 in verschiedene Richtungen
gehalten, um ein Entweichen zu bewirken. Unabhängig von der Ausrichtung gab
die Tintenstrahlpatrone 50 durch die Öffnung 70 des Patronengehäuses 64 von
selbst keine Tinte ab. Der Wirkungsgrad der kontrollierten Flüssigkeitsabgabe
wurde unter Verwendung eines kleinen Sauggerätes bewertet, das Tinte aus
der Tintenstrahlpatrone 50 entnahm. Das Sauggerät mit einer
2 mm großen Öffnung an
der Spitze wurde in unmittelbarer Nähe zum Übertragungselement 60 angeordnet
und ragte in die Tintenstrahlpatronenöffnung 70 hinein.
Ein Vakuum wurde dann an das Sauggerät angelegt, und die Tinte wurde aus
den Kanälen 58 der
Tintenstrahlpatrone 50 herausgezogen. Mit diesem Verfahren
wurden 6,4 g Tinte aus der Tintenstrahlpatrone 50 herausgezogen.
-
Dieser Patronenprototyp 50,
der als Beispiel 1 beschrieben ist, zeigte, daß mehrere
Schichten 54 eines durch Mikronachbildung hergestellten
Films als Behälter
und als Abgabeeinrichtung für
Fluide effizient verwendet werden können, was besonders die Anforderungen
von Tintenstrahldruckern erfüllt.
-
Beispiel 2
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Ein Markierungsstift 76,
der eine Art von Schreibinstrument ist, das in 13 bis 15 gezeigt ist,
wurde durch Ausbildung eines spiralförmig gewickelten Reservoirs 80 aus
einer mikrostrukturierten Filmschicht 82 hergestellt, die
wie im Beispiel 1 mit einer strukturierten Oberfläche 84 mit
einem Kanalprofil der in 3 gezeigten
Art hergestellt ist, die V-förmige
Kanäle 86 mit
einer Rillenwinkelöffnungsbreite
von 90°,
einem Rillenabstand von 16 μm
und einer Rillentiefe von 8 μm
enthielt. Die Schicht 82 wurde zu einer straffen Spirale
von 1 cm Durchmesser gewickelt und dann in ein Gehäuse 87 eingefügt, das
entstanden war, nachdem die inneren Teile eines herkömmlichen
Markierungsstiftes entfernt waren. Eine herkömmliche Fasermarkierungsstiftspitze 94 wurde
als Übertragungselement
verwendet. Der Markierungsstift 76 wurde gefüllt, indem
das Ende des Markierungsstifts 76 in einen Tintenbehälter gehalten wurde.
Als die Tinte mit dem Reservoir 80 in Kontakt kam, wurde
sie in die Kanäle 86 gezogen,
bis die Kanäle 86 gefüllt waren.
Die Spitze 94 wurde dann in die Gehäuseöffnung 96 eingefügt, und
eine herkömmliche
Stiftkappe wurde verwendet, um die Spitze 94 bei Nichtverwendung
abzudecken.
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Die Tinte wurde aus dem Markierungsstift 76 abgegeben,
indem die Kappe entfernt und die Spitze 94 auf eine Oberfläche (Papier)
gedrückt
wurde. Der Markierungsstift 76 funktionierte gut, wobei
lückenlose,
durchgehende Linien entstanden. Der Markierungsstift 76 bestand
auch Fallprüfungen,
die feststel len sollten, ob die Tinte aus dem Markierungsstift herausspritzen
würde,
wenn er aufschlägt.
Die Fallprüfung
war ein Faltenlassen des Markierungsstifts 76 (mit der
Kappe auf der Spitze 94) aus etwa 1 m (3 Fuß) Höhe auf eine
harte Oberfläche,
mit der Kappenseite nach unten. Diese Prüfung wurde fünfmal wiederholt,
und dann wurde die Kappe auf Tinte untersucht, die ausgetreten sein
könnte.
Es wurde keine Tinte in der Kappe festgestellt.
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Obwohl die vorliegende Erfindung
mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen
beschrieben worden ist, wird der Fachmann anerkennen, daß Änderungen
in Form und Detail möglich
sind, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, wie er
in den beigefügten
Ansprüchen
definiert ist.