DE9017966U1 - Thermischer Tintenstrahlschreiber - Google Patents

Thermischer Tintenstrahlschreiber

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BOEHMERT & BOEHMERT, NORDEMANN und PARTNER
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An das
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Zweibrückenstraße 12
8000 München 2
PA DR.-ING. KARL BOEHMERT (1933-1973)
PA DIPL -ING ALBERT BOEHMERT·, Bremen
RA WILHELM J H STAHLBERG, Bremen
PA DR-ING. WALTER HOORMANN', BREMEN PA DIPL.-PHYS. DR. HEINZ GODDAR-, München
PA DR-ING. ROLAND LIESECANG", München
RA WOLF-DIETER KUNTZE1 Bremen PA DIPL.-PHYS. ROBERT MÜNZHUBER·, München
PA DIPL-ING. EDMUND F E1TNER· (1933 - 1990)
RA DR. (UR. LUDWIG KOUKER, BREMEN PA DR- (CHEM.) ANDREAS WINKLER·, Bremen
RA MICHAELA HUTH, Bremen PA DlPL-PHYS. DR. MARION TÖNHARDT·, MÜNCHEN
RA DR. JUR. ANDREAS EBERT-WEIDENFELLER. Bremen
RA PROF. DR. |UR. WILHELM NORDEMANN", herl
RA DR. IUR KAI VINCK", berlin
RA PROF. DR IUR. PAUL W HERTIN", berlin
RA KLAUS VOM BROCKE, berlin
RA HERMANN-IOSEF OMSELS, berlin
RA DR. JUR MARTIN SCHELLENBEROER, Leipzig
PA - Patentanwalt RA - Rechtsanwalt
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aus EP 0 381 363 A2
(90 300 726.8)
Ihr Schreiben vom
Your letter of
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HL 2290 München
4. Februar 1993
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3000 Hanover Street Palo Alto, California 94304 (US)
Thermischer Tintenstrahlschreiber
Die Erfindung betrifft wegwerfbare Tintenstrahlschreiber zur Verwendung in thermischen Tintenstrahldruckern. Insbesondere betrifft die Erfindung solche Tintenstrahlschreiber mit Speiserohren oder Stehrohren zum Speisen von Tinte von einem Reservoir zu einem Tintenstrahldruckkopf.
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BOEHMERT & BOEHMERT, NORDEMANN und PARTNER
Es ist bekannt, Speiserohre oder Stehrohre als bevorzugtes Mittel zum Verbinden eines Tintenspeicherabteiles eines Tintenstrahlschreibers mit einem Dünnschicht-Druckkopf (einschließlich einer Düsenplatte) einzusetzen, der auf einer Oberfläche des Schreibergehäuses angebracht ist. Solche Speiserohre oder Stehrohre dienen zum Schaffen der erforderlichen Kapillarität zum Saugen von Tinte aus dem Tintenreservoir und über die Betätigungskammer des Druckkopfes zu den Druckerdüsen.
Ein Beispiel eines solchen Stehrohres ist im US-Patent 4,771,295 (Baker et al) der Anmelderin beschrieben. Ein anderes Beispiel eines solchen Speiserohres ist im US-Patent 4,794,409 (Cowger et al) der Anmelderin beschrieben. Auf den Inhalt der genannten US-Patentschriften wird verwiesen.
In neueren Experimenten wurde beobachtet, daß Stehrohre, welche einen maximalen Durchmesser unterhalb eines gewissen Minimalwertes desjenigen Abschnittes des Stehrohres haben, in welchem sich Luft ansammelt, den Tintenstrahlschreiber in hohem Ausmaß empfänglich für eine Druckabnahme bzw. ein Druckloswerden machen. Bei diesen Tintenstrahlschreibern mit sogenanntem "engen" Stehrohr blockieren Luftblasen, die sich in dem Stehrohr bilden, insbesondere solche Luftblasen, die sich am Tinteneingang des Stehrohres formen und ansammeln, die Tintenströmung zum Tintenstrahldruckkopf am anderen Ende des Stehrohres, so
BOEHMERT & BOEHMERT, NCRDEMANN und PARTNER
daß der Druckkopf keine Tinte mehr zugeführt bekommt und der Schreiber drucklos wird. Der Druckkopf kann einfach nicht mehr ausreichenden Druck erzeugen, um Tinte vorbei an der Luftblase im Stehrohr zu saugen, und die Luftblase an der Tinteneingangsöffnung des engen Stehrohres sperrt den Tintenstrom und läßt den Schreiber drucklos werden.
Stehrohre kleinen Durchmessers wurden historisch gesehen so gestaltet, daß beim Unterdrucksetzen des Schreibers, wenn relativ große Tintenströme das Stehrohr passieren, große Strömungsgeschwindigkeiten im Stehrohr auftreten, welche theoretisch Luftblasen mitreißen oder wegschwemmen sollten. In der Praxis geschieht dies jedoch aus dem oben angegebenen Grunde selten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Tintenstrahlschreiber mit Stehrohr zu schaffen, bei dem das Blockieren des Tintenstromes durch Luftblasen im Stehrohr vermieden ist. Diese Aufgabe lösen die Ansprüche.
Bei einem Tintenstrahlschreiber nach der Erfindung ist der Durchmesser des Stehrohres in demjenigen Abschnitt, in welchem sich Luftblasen ansammeln, gleich oder größer als ein vorbestimmter Minimalwert gemacht, wie er beispielsweise unten berechnet ist, so daß ein-Saugen von Tinte vorbei an der im Stehrohr befindlichen Luftblase ermöglicht ist. Es ist praktisch unmöglich, Luftblasen aus einem Stehrohr großen Durchmessers
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wegzuschwemmen, und diese Tatsache spricht dafür, eine solche Ausgestaltung zu verwerfen. Jedoch wurde erfindungsgemäß gefunden, daß dann, wenn eine Luftblase in einem Stehrohr großen Durchmessers vorhanden ist und Tinte von dem Druckkopf zum engen Durchmesserende des Stehrohres gepumpt wird, sich die Luftblase geringfügig verformt und so der Tinte erlaubt, entlang der Stehrohrwandung zu gleiten. In Tintenschreibern mit transparentem Gehäuse mit Stehrohren großen Durchmessers wurde beobachtet, daß Seite um Seite eines Druckmediums kontinuierlich über lange Zeiträume bedruckt werden konnten, ohne daß ein Druckloswerden des Schreibers selbst dann auftrat, wenn Tinte im Stehrohr nicht mehr sichtbar war.
Es ist Energie dazu erforderlich, die Luftblase im Stehrohr zu verformen und somit den Durchtrittsquerschnitt zu vergrößern. Diese Energie ist umgekehrt proportional zum Stehrohrradius. Die Luftblasenverformung darf nicht beliebig klein sein, weil die Viskosität der Tinte ihre Geschwindigkeit vorbei an der Luftblase begrenzt. Dadurch, daß die Tintenströmungsgeschwindigkeit durch den Betrieb des Druckkopfes bestimmt und durch die Viskosität der Tinte begrenzt ist, muß ein ausreichender Tintendurchfluß-Querschnitt bei geeignetem Druck hergestellt werden, um den Druckkopf ausreichend zu versorgen. Die zum Verformen der Luftblase erforderliche Energie wird durch erhöhtes Saugen des Druckkopfes bereitgestellt.
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Gemäß der Erfindung wurde ferner festgestellt, daß ein Druckloswerden des Druckkopfes dann völlig vermieden werden konnte, wenn der minimale Radius r des Abschnittes des Stehrohres, in welchem sich Luft ansammelt, der Gleichung r/r .. > 100 genügt, worin r_~ der Düsenradius einer Düse in der Düsenplatte des Dünnschicht-Druckkopfes des Tintenstrahlschreibers ist.
Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt eines thermischen Tintenstrahlschreibers einer bevorzugten Ausführung der Erfindung;
Fig. 2 eine teilweise geschnittene isometrische Ansicht eines Teils des Tintenstrahlschreibers mit dem Stehrohr und dem Druckkopf gemäß Fig. 1.
Der in Fig. 1 gezeigte thermische Tintenstrahlschreiber hat einheitliches Hauptgehäuse 10 aus geeignetem Kunststoff. Das Gehäuse 10 enthält typischerweise ein vernetztes Polyurethanschaummaterial 12 zum Speichern von.Tinte in der im US-Patent 4,771,295 beschriebenen Weise. Das Schaummaterial stellt den erforderlichen kapillaren Rückdruck am Druckkopf des Schreibers bereit, um zu verhindern, daß Tinte aus dem Schreiber leckt. Der Schreiber weist ferner einen Stützabschnitt 14 für den Druckkopf
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mit einer Auslaßöffnung 16 auf, dem benachbart ein thermischer Dünnschicht-Tintenstrahldruckkopf 18 angeordnet ist. Der Stützabschnitt 14 hat Innenwände 20 und 22, welche die Innenkontur des zu beschreibenden, großen Durchmesser aufweisenden Stehrohres begrenzen. Ein Luftsammeiabschnitt 24 ist durch einen Radius r definiert, welcher in der unten beschriebenen Weise bemessen ist.
Wie in Fig. 1 gezeigt nimmt der Luftsammeiabschnitt des Stehrohres dessen oberen Teil unmittelbar unterhalb dem Drahtnetzfilter 26 ein. Luft sammelt sich in diesem Abschnitt 24, wenn der Schreiber in der in Fig. 1 gezeigten Orientierung in Betrieb ist und das Drahtnetzsieb 26 in das Stehrohr vom Druckkopf her eingedrungene Luftblasen zurückhält. Die Luftblasen dringen in den Schreiber über den Druckkopf und durch die kleinere, untere Stehrohröffnung gemäß Fig. 1 ein und werden im Stehrohr mittels des Siebes 26 gefangen. Dieses Sieb 26, dessen absolute Filtrierweite 25 um beträgt, dient als "Kapillarstop", um im Schaum 12 enthaltene Luft daran zu hindern, in das Stehrohr herabgesaugt zu werden.
Die Schreiberkonstruktion gemäß Fig. 1 umfaßt ferner eine Kappe 28 mit einem Entlüftungsrohr 30 im mittleren Abschnitt zum Speisen und Ersetzen von Luft im Schaummaterial 12, wenn Tinte daraus während des Betriebes des Druckkopfes entfernt wird.
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Gemäß Fig. 2 fluchtet die Auslaßseite oder Düsenplatte des Druckkopfes 18 in etwa mit der Gehäusefläche 32, und diese ebene Endfläche 32 schneidet sich mit der Winkelfläche 34. Diese beiden benachbarten Flächen sind dazu eingerichtet, eine flexible Schaltung oder FLEX-Schaltung (nicht gezeigt) aufzunehmen, welche zur Stromversorgung und zur Versorgung des Druckkopfes 18 mit Antriebssignalen dient. Diese FLEX-Schaltung kann sich über die Seitenwand 36 des in Fig. 2 gezeigten Gehäuseteiles erstrecken, die der rechten Gehäusewand des Schreibergehäuses gemäß Fig. 1 entspricht.
Um die kleinste zulässige Größe für den Luftsammelabschnitt 24 des Stehrohres festzulegen, wurden zwei Sätze von je fünf Schreibern jeweils mit den Abmessungen nach der unten stehenden Tabelle I vorbereitet.
TABELLE I
Stehrohr
großen
Durchmessers		 Stehrohr
kleinen
Durchmessers
Stehrohr-Durchmesser am Filtersieb 26 (mm) 8,026 2,489
durchschnittliche Druckabnahme je Druckseite 0,015 >0,4
Das Stehrohr mit dem kleinen Durchmesser hat einen länglichen, abgerundeten (Schlitz-) Querschnitt; dessen kritische Abmessung der oben in Tabelle I angegebene Wert ist. Die Länge dieses Querschnittes betrug 4,57 mm.
BOEHMERT & BOEHMERT, NORDEMANN unp PARTNER
Die beiden Schreibersätze waren sonst identisch und hatten die folgenden Konstruktionsdetails: Siebe aus gewobenem Edelstahldraht wurden auf das obere Ende jedes Stehrohres "heißgesiegelt" derart, daß der Kunststoff aufgeschmolzen und eine feste Verbindung erzeugt wurde. Solche Siebmaterialien können von der US-Firma Pall Process Filtration Corporation of East Hills, New York, bezogen werden, und ein Pail J-Siebmaterial wurde bei diesem Versuch eingesetzt. Ein Stück vernetzter Polyurethanschaum mit einer Porosität von 65 Poren je Zoll wurde in das Tintenspeichergehause 10 mit den Abmessungen 33,02 mm in Querrichtung, 40,64 mm in Höhenrichtung und 25,4 mm in Tiefenrichtung oder in Richtung zur Zeichenebene von Fig. 1 eingebracht. Der Schaum wurde von der Scotfoam Corporation of Eddystone, PA, USA bezogen und anfänglich in Freon gereinigt, obgleich auch andere fluorinierte Kohlenwasserstoff-Lösungsmittel eingesetzt werden können. Der Schaumkörper hatte die Abmessungen 41,9 mm in Querrichtung, 50,8 mm in Höhenrichtung und 33,0 mm in Tiefenrichtung, d.h. in Auskleiderichtung. Vor dem Einsetzen in den Schreiber wurde das Schaumgewicht verdoppelt, indem der Schaum mit Tinte wie unten beschrieben gesättigt und anschließend sämtliche Tinte außer einer Tintenmenge gleich dem Schaum-Trockengewicht ausgetrieben wurde. Diese Vorgehensweise erleichtert das endgültige Füllen von Tinte in den Schaum.
Das Stehrohr kann an verschiedenen Stellen des Tintenspeicher-
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reservoirs des Schreibers plaziert sein, muß jedoch um mindestens etwa 2,5 mm in den Schaum hineinragen, vorzugsweise um 3,17 5 mm. Ferner sollte, gemessen in der Ebene des Filtersiebes 26, das Stehrohr einen Mindestabstand von etwa 2 mm von jeder Wand des Tintenspeicherreservoirs haben. Die vertikale Höhe des Stehrohrs betrug etwa 10,4 mm mit einem länglichen abgerundeten Schlitz der Abmessungen 1,78 &khgr; 4,32 an seinem unteren Ende, aus dem Tinte austritt.
An der Stehrohraustrittsöffnung 16 ist ein Dünnschicht-Druckkopf 18 angebracht, und die Tropfen-Auswerfdüsenöffnungen des Druckkopfes betrugen 52 um im Durchmesser. Dann wurden elektrische Verbindungen zum Druckkopf mittels bandautomatisiertem Bonden (TAB) in Form von Bond-Verbindungen derart hergestellt, wie im US-Patent 4,635,07 3 (G.E. Hanson) der Anmelderin beschrieben ist. Die Schreiber wurden dann mit 22 g einer auf Wasser basierenden Tinte mit 15 Gew.-% Diethylen-Glykol (DEG) und mit 3% schwarzer Farbe (Food Black 2) gefüllt.
Mit den Schreibern wurde dann gedruckt, bis sie keine Tinte mehr hatten, worauf die Druckseiten daraufhin inspiziert wurden, ob einzelne oder mehrere Düsen einen Druckabfall aufwiesen.
Die Ergebnisse wurden tabelliert und in Tabelle I dargestellt. Es wurden weitere Versuche mit Stehrohren von Durchmesserabmessungen zwischen den in Tabelle I angegebenen Abmessungen ge-
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macht, wobei sich keine signifikanten Zuwächse der Druckabnahmeraten bei Stehrohren von Durchmessern bis herunter zu 5mm an der Einlaßöffnung 24 ergaben.
Der kleinste Stehrohrradius, der keine Druckabnahme hervorruft, hängt von der vorhandenen Saugwirkung der Tropfenauswerfdüsen des Druckkopfes ab. Wie dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt ist, ist die Saugwirkung durch die Gleichung p=2ocosö/r gegeben, worin &rgr; der Saugdruck auf die Tinte am Druckkopf, &sgr; die Oberflächenspannung der Luft-Tinten-Grenzfläche, &thgr; der Kontaktwinkel zwischen der Tinte und den Düsenwänden und r der Radius der Düsenöffnungen des Druckkopfes sind. Aus dieser Gleichung ergibt sich, daß der verfügbare Saugdruck des Druckkopfes vor einer Druckabnahme umgekehrt proportional zum Radius der Tropfenauswerföffnung ist. Wenn die Druckkopfdüsenöffnungen kleiner werden, kann auch der kleinste zulässige Durchmesser des Stehrohres an der Eingangsöffnung 24 kleiner werden, weil der Druckkopf so dazu in die Lage versetzt wird, eine größere Saugwirkung zu erzeugen, um die Luftblase zu verformen und einen Tintenstrom vorbei an der Blase zu erzeugen.
Unter Berücksichtigung der erläuterten Parameter und Beziehungen in Verbindung mit den oben beschriebenen Versuchen wurde festgestellt, daß der kleinste zulässige Radius für die Öffnung 24 großen Durchmessers des Stehrohres oder Speiserohres die folgende Gleichung erfüllen muß:
BOEHMERT & BOEHMERT, NORDEMANN und PARTNER
r/r &ldquor; > r in/^Du » was aufgrund der oben beschriebenen Versuche zu r min/rr)üse = minimaler Durchmesser/Düsendurchmesser = 5,08 mm / 52 um » 100 führt. Somit gilt: r/r .. > 100, und
JJU. S &thgr;
ähnliche Beziehungen können für Schreiber mit unterschiedlichen Düsenöffnungsdurchmessern oder Oberflächenspannungen bestimmt werden.
Das Erfordernis eines minimal zulässigen Stehrohrdurchmesser der Öffnung 24 ist nicht auf Schreiber begrenzt, welche Tinte in Schaummaterial speichern. Dieses Erfordernis gilt vielmehr auch für Schreiber, welche Tinte in Blasen oder anderen Speichervorrichtungen enthalten, zum Beispiel gemäß der Tintenspeisekonstruktion nach US-Patent 4,794,409 (Cowger et al). Somit umfaßt die Erfindung in weiterem Sinne die besondere Gestaltung des Tintenspeise-Stehrohres oder einer anderen äquivalenten Luftsammeikammer oder ein Tintenkanal-Bauteil, wobei das Stehrohr oder die Kammer "lufttolerant" sind, d.h. Luftblasen enthalten können.

Claims (6)

BOEHMERT & BOEHMERT, NOFDEMANN und PARTNER Hewlett-Packard Company G 90 17 966.8 HL 2290 22.6.1993 Neue Schutzansprüche
1. Tintenstrahlschreiber mit einem Tintenreservoir (10) und einem Dünnschicht-Tintenstrahldruckkopf (18) sowie einem Stehrohr (14) welches das Tintenreservoir (10) und den Druckkopf (18) verbindet und benachbart dem Reservoir (10) einen Luftsammelabschnit (24) aufweist, wobei der Durchmesser des Luftsammeiabschnittes (24) größer als ein vorbestimmter Durchmesser ist, welcher proportional zur Größe der Düsenöffnungen des Druckkopfes (18) ist und zuläßt, daß im Betrieb des Druckkopfes Luftblasen in dem Stehrohr vorhanden sind, derart, daß die Luftblasen durch die von dem Druckkopf erzeugte Saugkraft verformt werden und Tinte durch das Stehrohr zwischen dessen Seitenwänden und den Luftblasen passieren lassen, um den Tintenstrahlschreiber kontinuierlich ohne signifikante Druckminderung aufgrund von Luftblasenblockade kontinuierlich betreibbar zu halten.
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2. Schreiber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckkopf (18) eine Blasenplatte mit Düsenöffnungen eines Radius r .. aufweist und der Luftsam-
ljuse
melabschnitt (24) des Stehrohres einen Radius r aufweist, wobei die genannten Radien in.folgender Beziehung zueinander stehen: r/rDüge > 100.
3. Thermischer Tintenstrahlschreiber mit einem Tintenreservoir (10) und einem Dünnschicht-Druckkopf (18), welcher mit dem Tintenreservoir über ein Stehrohr (14) verbunden ist, welches in seinem Tinte aufnehmenden Ende eine Luftsammeiabschnitt (24) aufweist, wobei der Dünnschicht-Druckkopf (18) eine Düsenplatte mit mehreren Öffnungen mit bekanntem Radius r .. aufweist, dadurch gekennzeichnet,
JJUS G
daß der kleinste zulässige Radius r des Luftsammeiabschnittes (24) des Stehrohres (14) der Gleichung r/r Duse > 10° genügt.
4. Thermischer Tintenstrahlschreiber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Stehrohr (14) mit seinem oberen Ende in dem Schaum (12) hineinragt.
5. Thermischer Tintenstrahlschreiber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Stehrohr (14) um mindestens etwa 2,5 mm in den Schaum (32) hineinragt.
6. Thermischer Tintenstrahlschreiber nach einem der Ansprüche
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bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Stehrohr (14) einen Mindestabstand von etwa 2 mm von jeder Wand des Tintenreservoirs (10) aufweist.
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