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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern des Drucks in einem
Tintenbehälter
eines Tintenstrahldruckers, mit einem Gehäuse und einem relativ zu dem
Gehäuse
bewegbaren Kolben, der mit diesem die Kammer mit variablen Volumen
definiert, welche in Verbindung mit dem Tintenbehälter steht, wobei
der Kolben vorgespannt ist, um eine Druckdifferenz zwischen der
Kammer mit variablem Volumen und der Außenseite aufrecht zu erhalten.
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Ein
Tintenstrahldrucker weist typischerweise einen Druckkopf mit einer
oder mehreren Düsenreihen
und einen Tintenbehälter
auf, aus dem den Düsen
der Düsenreihen
flüssige
Tinte zugeführt
wird, so daß Tintentröpfchen aus
den Düsen
durch thermische oder piezoelektrische Einwirkung ausgestoßen werden
können,
wie es im dem Fachgebiet allgemein bekannt ist. Wenn das Niveau
der Tinte in dem Tintenbehälter
höher ist
als das Niveau der Düsen,
sollte der Tintenbehälter
unter Unterdruck gehalten werden, um zu vermeiden, daß Tinte
durch die Düsen entweicht.
Da die Differenz zwischen dem Innendruck in dem Tintenbehälter und
dem Atmosphärendruck
einen Einfluß auf
den Vorgang der Tröpfchenerzeugung
und somit auf die Qualität
des gedruckten Bildes hat, ist es wünschenswert, diese Druckdifferenz
konstant zu halten. Da jedoch der Innendruck in dem Tintenbehälter infolge
von Änderungen
des darin enthaltenen Tintenvolumens, thermischer Expansion und
dergleichen variieren kann, ist es notwendig, den Innendruck in
dem Tintenbehälter
zu steuern.
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US-A-5 039 999 offenbart
eine Drucksteuervorrichtung des oben genannten Typs, bei der eine Schraubenfeder
eingesetzt wird, um den Kolben vorzuspannen.
US-A-4 509 062 offenbart
einen weiteren Typ einer Drucksteuervorrichtung, in der die Kammer mit
variablem Volumen durch eine elastisch deformierbare Blase begrenzt
wird.
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Beide
herkömmlichen
Bauarten haben den Nachteil, daß die
elastischen Vorspannkräfte,
die die Druckdifferenz zwischen dem Innendruck in dem Tintenbehälter und
der Atmosphäre
aufrechterhalten, von dem Ausmaß der
Deformierung der Feder bzw. der Blase abhängen, so daß die Druckdifferenz immer
noch zusammen mit der Expansion oder Kontraktion der Kammer mit
variablem Volumen variieren kann.
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EP-A-0 375 383 beschreibt
eine Drucksteuervorrichtung, bei der die Kammer mit variablem Volumen
teilweise durch eine rollende Membran begrenzt wird. Diese rollende
Membran stellt eine im wesentlichen lineare Volumen/Druck-Kennlinie zur Verfügung, ähnlich der
eines durch eine Schraubenfeder vorgespannten Kolbens. Bei dieser
Vorrichtung wird die rollende Membran lediglich zum Abschwächen der
Druckschwankungen infolge von Volumenänderungen verwendet, und der
Druck wird letzten Endes durch Einsaugen von Luftblasen oder Flüssigkeit
in die Kammer mit variablem Volumen durch eine kleine Öffnung konstant
gehalten. Somit erfordert diese Vorrichtung einen ziemlich komplizierten
Aufbau und hat zudem das Problem, daß von den in die Kammer mit
variablem Volumen eingesaugten Luftblasen leichte Druckschwankungen
verursacht werden.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine einfache Vorrichtung
zur Verfügung
zu stellen, die es erlaubt, den Innendruck in dem Tintenbehälter mit
hoher Genauigkeit konstant zu halten.
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Erfindungsgemäß wird dieses
Ziel mit einem System gemäß Anspruch
1 erreicht.
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Da
die Gravitationskräfte,
die durch das Gewicht des Kolbens selbst oder durch eine daran zusätzlich angebrachte
Last erzeugt werden können, ungeachtet
jeglicher Volumenveränderungen
der Kammer mit variablem Volumen konstant sind, kann der Innendruck
in dem Tintenbehälter,
oder, genauer, die Druckdifferenz zwischen dem Tintenbehälter und der
Außenseite,
mit hoher Genauigkeit konstant gehalten werden, selbst wenn das
Volumen der Kammer mit variablem Volumen innerhalb eines vergleichsweise
großen
Bereichs variieren darf. Als Folge davon kann eine hohe Qualität des gedruckten
Bildes sogar mit einem System erreicht werden, bei dem der Tropfchenerzeugungsvorgang
in hohem Maße
empfindlich für
den Druckabfall über
die Düsen ist,
und das Eintreten von Luft in die Düsen wird sicher verhindert.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist
insbesondere nützlich
in Kombination mit einem Heißschmelztintenstrahldruckkopf,
der bei erhöhten Temperaturen
betrieben wird.
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Weitere
bestimmte vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Vorzugsweise
ist der Kolben mit den Wänden
des die Kammer mit variablem Volumen definierenden Gehäuses mittels
einer hochbiegsamen Membran verbunden, die eine perfekte Abdichtung für den Spalt
zwischen dem Kolben und den Wänden des
Gehäuses
zur Verfügung
stellt, ohne irgendeine wesentliche Reibung zwischen dem Kolben
und dem Gehäuse
zu verursachen. Als Folge davon sind Reibungswirkungen selbst in
dem Fall vernachlässigbar, daß der Innendruck
in dem Tintenbehälter
nur leicht unterhalb des atmosphärischen
Drucks liegt, z. B. in der Größenordnung
von 1 kPa unterhalb des atmosphärischen
Drucks, und die effektive druckempfindliche Fläche des Kolbens vergleichsweise
klein ist, so daß entsprechend
die beim Vorspannen derselben beteiligten Gravitationskräfte extrem
klein sind.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
hat das Gehäuse,
welches die Kammer mit variablem Volumen definiert, die Form eines
Zylinders und der Kolben ist darin mit einem kleinen Ringspalt eingepaßt, der
zwischen der äußeren Umfangsfläche des
Kolbens und der inneren Umfangsfläche der Zylinderwände gebildet
wird, und eine rollende Membran ist in diesem Ringspalt aufgenommen.
Auf diese Weise wird ein besonders kompakter Aufbau der Vorrichtung
erzielt, und die Membran wird gleichmäßig und stabil in dem Zylinder
ohne irgendeine wesentliche Reibung geführt. Da die Membran keinen
wesentlichen Zugbeanspruchungen unterliegt, kann sie sehr dünn hergestellt
werden, so daß sie
keinerlei elastische Kräfte
auf den Kolben ausüben
wird. Die Druckdifferenz zwischen der Innenseite und der Außenseite
der Kammer mit variablem Volumen wird dazu beitragen, die zwei Lagen
der rollenden Membran auseinanderzuhalten, und da, wenn der Kolben
verlagert wird, eine Relativbewegung nur zwischen den zwei Lagen
der Membran auftritt, wird Reibung fast vollständig vermieden. Da außerdem die
Membran keine elastischen Eigenschaften haben muß, kann das Material hinsichtlich
einer Verringerung seines Reibungskoeffizienten bezüglich seiner selbst
optimiert werden.
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Obwohl
der Druckkopf eines Tintenstrahldruckers im allgemeinen an einem
sich bewegenden Wagen angebracht ist, kann die Drucksteuervorrichtung
an einem feststehenden Gestell des Druckers angebracht werden und
kann mit dem Tintenbehälter an
dem Druckkopf über
einen biegsamen Schlauch verbunden werden. Somit wird der durch
sein Gewicht vorgespannte Kolben keinen wesentlichen Trägheitskräften unterliegen.
Wenn der Druckkopf eine Mehrzahl von Tintenbehältern aufweist, beispielsweise
in einem Farbdrucker, können
alle Tintenbehälter
mit derselben Drucksteuervorrichtung verbunden sein.
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Aufgrund
der auf den Kolben wirkenden konstanten Gravitationskräfte hängt die
Verlagerung des Kolbens linear von dem gesamten Luftvolumen in dem
Tintenbehälter,
der Kammer mit variablem Volumen und dem sie verbindenden Schlauch
ab. Langfristig neigt dieses Luftvolumen leicht dazu, sich aufgrund
von Leckage oder Diffusion zu vergrößern. In einer bevorzugten
Ausführungsform
wird diese Vergrößerung des
Luftvolumens durch Überwachen
der Position des Kolbens detektiert, so daß, wenn erforderlich, ein Rücksetzungsprozeß zum Auspumpen des
Tintenbehälters
automatisch eingeleitet werden kann. Ebenso kann die Verlagerung
des Kolbens verwendet werden, um ein Signal zum automatischen Beenden
des Auspumpprozesses zu erzeugen, wenn das Luftvolumen wieder seinen
Zielwert erreicht hat. Als eine Alternative wird die Kammer mit variablem
Volumen in regelmäßigen Abständen auf ein
bestimmtes Volumen zurückgesetzt,
beispielsweise am Ende jedes Abtastzyklus des Druckers.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung werden nun in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
beschrieben werden, von denen:
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1 eine
Schnittdarstellung der Hauptkomponenten einer Drucksteuervorrichtung
mit schematisch dargestellten zugeordneten Komponenten eines Tintenstrahldruckers
ist;
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2 eine
Schnittdarstellung der in 1 gezeigten
Vorrichtung in einem anderen Betriebszustand ist; und
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3 ein
Schaubild eines Rücksetzmechanismus
für eine
Drucksteuervorrichtung in einem Drucker gemäß einer modifizierten Ausführungsform
ist.
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Wie
in 1 gezeigt ist, ist ein Druckkopf 10 eines
Tintenstrahldruckers auf einem Wagen 12 angebracht, der
Abtastbewegungen in einer durch einen Doppelpfeil S gekennzeichneten
Richtung durchführt.
Der Druckkopf weist zwei Düsenreihen 14 auf,
die am unteren Rand eines Tintenbehälters 16 be festigt
sind. Wenn der Drucker in Betrieb ist, kann die Tinte den Düsen der
Düsenreihen 14 zugeführt werden.
Das Niveau der flüssigen
Tinte in dem Tintenbehälter 16 ist
durch eine gestrichelte Linie 18 gekennzeichnet. Da dieses
Tintenniveau höher
ist als das Niveau der Düsen
in den Düsenreihen 14,
befindet sich die Tinte in den Düsen
unter einem statischen Druck, so daß Tinte aus den Düsen entweichen
könnte.
Aus diesem Grund wird das Luftvolumen oberhalb des Tintenniveaus 18 in
dem Tintenreservoir 16 unter einem leichten Unterdruck
gehalten, z. B. 1 kPa unter dem atmosphärischen Druck.
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Dieser
Druck wird mittels einer Drucksteuervorrichtung 20 gesteuert,
die an einem feststehenden Gestell 22 des Druckers angebracht
ist und mit dem oberen Teil des Tintenbehälters 16 über einen
biegsamen Schlauch 24 verbunden ist.
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Die
Drucksteuervorrichtung 20 weist ein Gehäuse 26 auf, das als
ein aufrechter Zylinder geformt ist und eine offene Unterseite hat.
In der oberen Wand des Gehäuses 26 ist
eine Öffnung 28 gebildet, mit
der der Schlauch 24 verbunden ist.
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Ein
zylindrischer, becherförmiger
Kolben 30 ist, mit dem offenen Ende nach oben in das Innere des
Gehäuses
gerichtet, verschiebbar in dem Gehäuse 26 angeordnet,
so daß eine
Kammer 32 mit variablem Volumen innerhalb des Gehäuses 26 und des
Kolbens 30 definiert wird.
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Eine
rollende Membran 34 in Form eines aus extrem dünnen biegsamen
Material hergestellten Schlauches oder Beutels hat einen Endabschnitt 36, der
dichtend mit dem unteren Rand der Umfangswand des Gehäuses 26 verbunden
ist, und das andere Ende der Membran ist dichtend mit der Unterseite des
Kolbens 30 verbunden.
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Die äußere Umfangsfläche des
Kolbens 30 und die Innenwand des Gehäuses 26 definieren
einen Ringspalt 40, der den Hauptteil der Membran 34 aufnimmt.
Dieser Hauptteil bildet eine äußere Lage 42,
die an der Wand des Gehäuses 26 angreift,
und eine innere Lage 44, die an der äußeren Umfangsfläche des
Kolbens 30 angreift. Die äußeren und inneren Lagen 42, 44 sind
an ihren oberen Enden durch einen rollenden Rand 46 verbunden.
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Der
Kolben 30 ist durch sein eigenes Gewicht nach unten vorgespannt
und neigt somit dazu, die Kammer 32 mit variablem Volumen
zu expandieren. Da die Membran 34 eine luftdichte Abdichtung zwischen
dem Kolben und dem Gehäuse 26 bildet, verursacht
die Expansion der Kammer 32 mit variablem Volumen, daß der in
dieser Kammer und ebenfalls in dem Tintenbehälter 16 herrschende
Druck unter den atmosphärischen
Druck abfällt.
Der Kolben 30 nimmt daher eine Gleichgewichtsposition ein,
in der die Gravitationskräfte
ausgeglichen werden durch den auf die unterseitige Fläche des
Kolbens wirkenden Differenzdruck. Somit wird der Innendruck in dem
Tintenbehälter 16 auf
einem konstanten Wert gehalten, der durch das Gewicht und die Querschnittsfläche des
Kolbens 30 bestimmt ist.
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Es
ist wichtig, darauf hinzuweisen, daß die Membran 34 keinerlei
elastische Kräfte
auf den Kolben 30 ausübt,
ungeachtet der Verlagerung des letzteren. Obwohl geringfügige elastische
Beanspruchungen in dem rollenden Rand 46 der Membran auftreten
können,
spannen diese Kräfte
den Kolben nicht nach oben oder nach unten vor, sondern neigen stattdessen
dazu, den Kolben um die Achse des Gehäuses 26 zu zentrieren.
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Aufgrund
des Unterdrucks in der Kammer 32 mit variablem Volumen
wird Umgebungsluft in einen schmalen Spalt zwischen den äußeren und
inneren Lagen der Membran 34 eindringen und wird diese
Lagen in Angriff an den Wänden
des Gehäuses 26 bzw. des
Kolbens 30 halten. Daher werden die äußeren und inneren Lagen 42, 44 immer
durch einen kleinen Spalt getrennt sein, so daß keine Reibungskräfte zwischen
diesen Lagen die axiale Verlagerung des Kolbens 30 erschweren
werden.
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Wenn
das Tintenniveau 18 in dem Tintenbehälter 16 sich verändert oder
die Luft oberhalb dieses Tintenniveaus einer thermischen Expansion
unterliegt, kann sich der Kolben 30 in dem Gehäuse 26 bewegen,
so daß der
Druck in dem Tintenbehälter
immer konstant gehalten werden wird.
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Langfristig
kann der in dem Tintenbehälter und
der Kammer 32 mit variablem Volumen herrschende Unterdruck
ein Eintreten von Luft aufgrund von Leckage, Diffusion oder dergleichen
verursachen. Als Folge davon wird sich der Kolben 30 allmählich nach
unten bewegen, wie in 2 veranschaulicht ist. Diese
allmähliche
Abwärtsbewegung des
Kolbens sollte von Zeit zu Zeit durch "Zurücksetzen" des Kolbens ausgeglichen
werden. Zu diesem Zweck ist eine Vakuumpumpe 48 mit dem
Schlauch 24 verbunden, wie in 1 gezeigt
ist. Wenn die Vakuumpumpe 48 betrieben wird, werden der
Tintenbehälter 16 und
die Kammer 32 mit variablem Volumen ausgepumpt, so daß der Kolben 30 wieder
steigen wird. Eine Öffnung 50 begrenzt
den Durchfluß der aus
dem Tintenbehälter
und der Kammer mit variablem Volumen gesaugten Luft, so daß der Kolben 30 leicht
mit dem Auspumpen von Luft mithalten kann, ohne einen zeitweiligen
Druckabfall in dem Tintenbehälter
zu verursachen. Ein Druckspeicher 52, der zwischen der Öffnung 50 und
dem Schlauch 24 angeschlossen ist, glättet Druckschwankungen, die
durch die Vakuumpumpe 48 verursacht werden könnten.
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In
der in 1 gezeigten Ausführungsform ist ein Positionssensor 54,
z. B. ein optischer Sensor, an dem Gestell 22 angebracht.
Wenn die Kammer 32 mit variablem Volumen ausgepumpt wird
und der Kolben 30 in die in 1 gezeigte
Position steigt, wird der Sensor 54 ein Signal zum Abschalten
der Vakuumpumpe 48 liefern. Somit kann die ursprüngliche Position
des Kolbens 30 automatisch wiederhergestellt werden, nachdem
ein Auspumpen eingeleitet wurde.
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Optional
ist ein weiterer Positionssensor 56 in einer niedrigeren
Position als der Sensor 54 vorgesehen. Wenn der Kolben 30 in
die in 2 gezeigte Position abgesenkt wurde, aufgrund
des Eintretens von Luft, wird der Sensor 56 ein Signal
zum automatischen Einleiten eines Auspumpprozesses liefern.
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3 veranschaulicht
eine modifizierte Ausführungsform
eines Zurücksetzungsmechanismus zum
Zurücksetzen
der Drucksteuervorrichtung 20 in regelmäßigen Zeitabständen. In
dieser Ausführungsform
sind die Drucksteuervorrichtung 20 und eine Mehrzahl von
Druckköpfen 10 beispielsweise
eines Farbdruckers gemeinsam auf dem Wagen 12 angebracht,
der sich relativ zu dem Gestell 22 des Druckers zurück und vor
bewegt. Die Vakuumpumpe 48 ist ebenfalls auf dem Wagen 12 angebracht.
Somit kann die Drucksteuervorrichtung 20 mit den Druckköpfen 10 und
der Vakuumpumpe 48 durch starre Rohrleitungen verbunden
werden, so daß keine
biegsamen Schläuche
benötigt
werden.
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Die
Vakuumpumpe 48 weist einen Zylinder 58 und einen
Kolben 60 auf, die eine Arbeitskammer 62 definieren.
Der Kolben 60 ist relativ zu dem Zylinder 58 in
einer Richtung parallel zu der Abtastrichtung S des Wagens 12 bewegbar
und weist einen Tauchkolben ("plunger") 64 auf,
der in Richtung auf einen Teil des Gestells 22 hervorsteht.
Eine Druckfeder 66, die in der Arbeitskammer 62 aufgenommen ist,
spannt den Kolben 60 in Richtung auf den besagten Teil
des Gestells vor, d. h. in eine Richtung, bei der sich das Volumen
der Arbeitskammer vergrößert.
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Eine
Vakuumleitung 68 verbindet die Arbeitskammer 62 der
Vakuumpumpe mit der Kammer 32 mit variablem Volumen der
Drucksteuervorrichtung 20 und umfaßt ein erstes Sperrventil 70,
welches sich in der Richtung der Vakuumpumpe 48 öffnet. Ein
weiteres Sperrventil 72 öffnet sich zur Atmosphäre und ist
mit der Vakuumleitung 68 zwischen dem ersten Sperrventil 70 und
der Vakuumpumpe verbunden.
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Ein
drittes Sperrventil 74, das sich ebenfalls zur Atmosphäre öffnet, ist
in der oberen Wand des Gehäuses
der Drucksteuervorrichtung 20 angeordnet. Das Ventilelement
dieses Sperrventils ist mit einer Steuerstange 76 verbunden,
die nach unten in den Kolben der Drucksteuervorrichtung hervorsteht.
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Wenn
der Drucker in Betrieb ist und der Wagen 12 eine Endposition
seines Abtasthubes erreicht, stößt der Tauchkolben 64 gegen
das Gestell 22, und der Kolben 60 wird gegen die
Kraft der Druckfeder 66 nach innen gedrückt. Die aus der Arbeitskammer 62 verdrängte Luft
wird durch das Sperrventil 72 entlüftet, während das Sperrventil 70 geschlossen
ist. Wenn der Wagen 12 dann den nächsten Abtastzyklus durchführt und
sich von dem Gestell 22 wegbewegt, wird die Arbeitskammer 62 wieder
durch die Kraft der Druckfeder 66 expandiert. Unter diesen
Umständen
schließt
sich das Sperrventil 72, und das Sperrventil 70 öffnet sich,
so daß Luft
aus der Kammer 32 mit variablem Volumen und in die Arbeitskammer 62 gesaugt
wird. Als Folge davon wird verursacht, daß der Kolben 30 der
Drucksteuervorrichtung steigt.
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Wenn
der steigende Kolben 30 eine bestimmte Null-Position erreicht,
stößt die Unterseite des
Kolbens gegen das Ende der Steuerstange 76 und verursacht,
daß das
Sperrventil 74 sich öffnet. Somit
wird, während
die Druckfeder 66 fortfährt
zu expandieren, die aus der Kammer 32 mit variablem Volu men
gesaugte Luft durch Umgebungsluft ersetzt, die durch das offene
Sperrventil 74 eingesaugt wird. Als Folge davon wird der
Kolben 30 nicht weiter steigen, sondern wird in der Null-Position
bleiben. Wenn die Druckfeder 66 sich ihrer Gleichgewichtsposition nähert, d.
h. wenn ihre Vorspannkraft sich Null nähert, kann die Saugkraft der
Vakuumpumpe 48 nicht länger
die durch das Gewicht des Kolbens 30 verursachte Saugkraft überwinden.
In diesem Moment schließen
sich die Sperrventile 70 und 74, und die Kammer 32 mit
variablem Volumen wird sowohl von der Umgebungsluft als auch der
Vakuumpumpe 48 getrennt, so daß der Vakuumdruck in der Kammer 32 mit
variablem Volumen wieder lediglich durch das Gewicht des Kolbens 30 bestimmt
wird, der in seine Null-Position zurückgesetzt wurde. Somit ist
der Rücksetzungsprozeß abgeschlossen.
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Der
oben beschriebene Rücksetzungsprozeß wird nach
jedem Abtastzyklus des Wagens 12 wiederholt, jedesmal wenn
der Tauchkolben 64 an dem Gestell 22 angreift.
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Obwohl
bestimmte Ausführungsformen
der Erfindung oben beschrieben wurden, wird einem Fachmann einfallen,
daß verschiedenste
Modifizierungen innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche vorgenommen werden können.