EP1333994B1 - Dosiervorrichtung und schreibgerät mit einer dosiervorrichtung - Google Patents

Dosiervorrichtung und schreibgerät mit einer dosiervorrichtung Download PDF

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EP1333994B1
EP1333994B1 EP01982455A EP01982455A EP1333994B1 EP 1333994 B1 EP1333994 B1 EP 1333994B1 EP 01982455 A EP01982455 A EP 01982455A EP 01982455 A EP01982455 A EP 01982455A EP 1333994 B1 EP1333994 B1 EP 1333994B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
secondary container
dosing device
container
liquid
channel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP01982455A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1333994A1 (de
Inventor
Tilo Strobelt
Günther WAIBEL
Michael Sesterhenn
Jörg MELLMANN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Gebrueder Schmidt Fabrik fuer Feinmechanik GmbH and Co KG
Original Assignee
Gebrueder Schmidt Fabrik fuer Feinmechanik GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Family has litigation
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Application filed by Gebrueder Schmidt Fabrik fuer Feinmechanik GmbH and Co KG filed Critical Gebrueder Schmidt Fabrik fuer Feinmechanik GmbH and Co KG
Publication of EP1333994A1 publication Critical patent/EP1333994A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1333994B1 publication Critical patent/EP1333994B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B43—WRITING OR DRAWING IMPLEMENTS; BUREAU ACCESSORIES
    • B43K—IMPLEMENTS FOR WRITING OR DRAWING
    • B43K5/00—Pens with ink reservoirs in holders, e.g. fountain-pens
    • B43K5/18—Arrangements for feeding the ink to the nibs
    • B43K5/1818—Mechanical feeding means, e.g. valves; Pumps
    • B43K5/189—Pumps

Definitions

  • the present invention relates to a metering device and, in particular, to a metering device for metering a liquid as required and to a writing instrument with such a metering device.
  • the electronic writing instrument comprises a writing tip which extends into a capillary space, which is also referred to as a secondary storage space.
  • the small-volume secondary storage space is fluidly connected to a large-volume primary, pressurized ink storage space through an ink channel, a reload valve being located in the ink channel. If the fluid level in the secondary storage space is too low, the reload valve is actuated to open for a certain time until enough ink has been transported from the primary storage space into the secondary storage space that a sufficient filling level is established there. The level in the secondary storage room is measured using a capacitive sensor.
  • the capacitive sensor is designed as a cylindrical capacitor, the capacitance of which depends on the filling volume of the secondary storage space.
  • a resonance circuit is used which digitally measures the change in capacitance by detuning an oscillating circuit.
  • this circuit comprises an additional capacitance and a quartz oscillator.
  • a counter is used to measure the difference in the oscillation frequencies as an indication of the change in capacity.
  • Demand-based dosing devices form a control system which consists of a storage tank, a buffer reservoir and a pressure control unit.
  • the liquid is dispensed from the buffer reservoir. If the pressure in the buffer reservoir drops below a certain threshold due to the dispensing of liquid, the pressure control unit compensates for the pressure in the buffer reservoir by transferring liquid from the storage tank into the buffer reservoir.
  • Such dosing devices are vacuum-controlled with regard to the ambient pressure, so that both the buffer reservoir and the storage tank must be closed in a pressure-tight manner with respect to the ambient pressure.
  • a volume of gas must be in this vessel. This gas volume is in turn subject to gas laws and expands z. B. on heating, which leads to an increase in pressure in the vessel.
  • the vacuum in the vessel can be reduced, so that the vacuum-controlled delivery of liquid no longer works.
  • a further possible reduction of the negative pressure takes place by reducing the ambient pressure.
  • Such metering devices require a one-sided connection of the storage tank and buffer reservoir to the ambient air for the purpose of gas entry. This connection can lead to leakage of the stored liquid in the event of a malfunction.
  • DE 33 21 301 A1 discloses an ink supply system for writing instruments working with liquid ink, which have a large-volume ink space which is connected via a reload valve to a small-volume ink supply space adjacent to the writing element.
  • the transfer of the ink from the large-volume ink space to the secondary storage space takes place in a sensor-controlled manner as a function of the ink volume present in the secondary ink space.
  • a peristaltic pump is used as the reloading valve, which is driven in rotation by an electric motor and can generate the delivery pressure required to deliver the ink to the secondary ink chamber.
  • the object of the present invention is to provide a safe metering device for metering a liquid as required.
  • Another object of the present invention is to provide a writing device for a liquid writing medium with such a metering device.
  • the present invention is based on the knowledge that it must be started from the concept in which the dispensed liquid reaches the dispensing point directly from the buffer volume. Instead, in the metering device according to the invention, the dispensed liquid is supplied via the main liquid channel, which extends directly from the primary container to the dispensing point.
  • a secondary container is fluidly coupled to the main liquid channel at a branching point, that is to say arranged in the secondary flow.
  • the liquid level in the secondary container is measured by means of a fill level sensor, which in turn feeds a valve control in order to control a valve provided between the primary container and the branch point in the main liquid channel.
  • the secondary container is ventilated and coupled to the main fluid channel such that the main fluid channel preferably fills with the liquid upstream of the secondary container.
  • the metering device according to the invention thus uses the fill level in the secondary flow as a controlled variable, while in the prior art the fill level in the main flow has been used to control the valve. Since the valve in the metering device according to the invention actively prevents the undesired inflow of liquid from the primary container, ventilation of the primary container can also be provided in addition to aeration of the secondary container. The gas pressures in the primary tank and in the secondary tank can therefore always be at ambient pressure.
  • the flow in the main liquid channel is not measured directly in the main flow itself, but rather via the fill level in the secondary container separated from the main flow, which is coupled to the main flow in such a way that the Main stream preferably filled before the secondary stream.
  • this can be achieved by capillary dimensioning of the main liquid channel and of the secondary container. If liquid is withdrawn, the level in the secondary container drops and vice versa. With this change, the consumption of liquid can be measured directly, and the afterflow can be controlled via the valve depending on this.
  • An advantage of the present invention is that both the secondary container and the primary container can be designed independently of the ambient pressure and the ambient temperature. The resulting accidents can no longer occur.
  • Another advantage of the present invention is that by a suitable choice of the surface properties within the secondary container and the adjacent channels, there is the possibility of designing the capillary forces in such a way that the metering device, if it is not intended to dispense any liquid, does not leak automatically, or the secondary volume does not overflow when there is an increase in pressure in the main liquid channel.
  • the secondary container can be ventilated and can be dimensioned so that the capillary pressure in the secondary container decreases as the fill level increases. In preferred exemplary embodiments of the present invention, this can be achieved by enlarging the cross section over the filling path. For such a disproportionate increase in the volume over the filling path in the secondary container, a clear filling or emptying direction can be pronounced in the secondary container, particularly in the case of capillary systems.
  • FIGS. 3a to 3c show a conventional, hydrostatic filler, which is not controlled electronically.
  • the filler comprises a filler housing 70 in which there is a filler cartridge 72 which is attached to a plastic component 74.
  • the ink is finally discharged through a spring 76 to create a stroke 78.
  • a conventional filler can generally be viewed as a complex microdosing system.
  • a property of this system is that all essential fluidic functions are integrated in the only inexpensive plastic component 74.
  • the fluidic system shows weaknesses when so-called accidents occur, for example the change in the ambient temperature and the change in the external air pressure, as they occur e.g. B. can occur inside a starting aircraft.
  • FIG. 3b in which the fluidic concept of the conventional filler is shown.
  • the cartridge 72 which both has a vent 80 and which has an ink duct 82 as an outlet, which is coupled to a plurality of compensation chambers 84, which are usually located under the spring 76 of a fountain pen.
  • the ink cartridge 72 To release ink, the ink cartridge 72 must be ventilated. If an unimpeded air inlet were provided for this purpose, all of the ink present in the ink cartridge would be released via the spring due to the hydrostatic pressure. A regular levy, as required for writing, would then not be possible.
  • the ventilation 80 of the ink cartridge 72 is in the form of a short capillary channel wetted by ink.
  • This channel only opens when a negative pressure is built up in the ink cartridge, which corresponds to the capillary pressure of the ink in the ink conductor 82. At this moment the ink is sucked out of the channel by the negative pressure in the ink cartridge and air can flow in from outside. The process ends when the inflowing air has released the negative pressure in the cartridge. At this moment the ink wets the short capillary channel 80 again and closes it.
  • the portion of the volume of ink not used for writing must be stored in the equalization chambers 84, which form a buffer or a secondary volume.
  • the intermediate storage is typically a capillary storage below the spring 76 in Form of plane-parallel plates, which are referred to as compensation chambers. This memory stores the excess amount of ink and releases it back onto the paper during the further writing process. If the buffer is empty, the ink required for writing is removed from the cartridge 72. This increases the negative pressure, and when the critical value is undershot, the short capillary channel 80 opens again, and the cycle begins again.
  • a disadvantage of this conventional system is the limited tolerance for accidents. Another disadvantage is that the reliable function of the system depends heavily on the coordination of the capillary pressures effective in the ventilation 80 and the secondary volume 84. These, in turn, are a function of the surface properties of the materials used and are therefore heavily dependent on the manufacturing parameters and contamination of the surfaces.
  • the metering device comprises a primary container for storing liquid 12.
  • the primary container 10 thus contains the liquid 12 and a gas volume 14.
  • the primary container is connected to a main liquid channel 16 which extends from an outlet of the primary container via a valve 18 and a branch point 20 to a delivery point 22, which in the case of using the metering device according to the invention is connected to a pen 24 in a fountain pen.
  • a secondary container 26 is connected to the branch point 20 and communicates with the ambient atmosphere via a vent 28.
  • the liquid level in the secondary container 26 is measured by means of a fill level sensor 30, which feeds its measurement signals to a valve control 32, which can open and close the valve 18.
  • valve 18 is controlled by the sensor 30 and the valve control 32.
  • the sensor is located in the secondary container below the nib 24 and monitors the fill level of the secondary container 26.
  • the secondary container is via a fluidic T-piece, which through the branch point 20 is shown schematically in FIG. 1, coupled to the main liquid channel between the valve 18 and the nib 24.
  • the T-piece 20 is designed so that the front part of the spring, ie the tip of the spring with the grain, fills up in front of the secondary container during the first filling.
  • the secondary container is implemented in the form of a capillary gap, the spacing of which increases in a preferred exemplary embodiment (which is discussed in greater detail in FIG. 2c). This ensures that the effective capillary pressure decreases with increasing filling when the volume is filled in a defined manner.
  • ink When writing, ink is dispensed from the main liquid channel via the dispensing point 22 and the pen 24. This ink comes from the secondary tank when it is assumed that the valve is just closed. However, the ink is not dispensed directly from the secondary container, but from the main liquid channel, since the secondary container only via the main liquid channel and not directly communicated with the delivery point. If the ink volume in the secondary container empties below a defined point, the valve 18 is opened again and ink flows into the buffer volume in the secondary container. When the level in the secondary tank has reached an upper limit again, the valve is closed.
  • the valve can be controlled by means of a two-point controller, which monitors the minimum or maximum fill level of the secondary container.
  • the primary container can be ventilated or be under pressure. According to the invention, however, in view of the high load on the valve 18 when the primary container is under pressure, a ventilated primary container is preferred. It should be noted that when the primary reservoir is under pressure, a relatively strong valve is necessary in order to withstand the pressure of the reservoir. This can lead to increased costs of the entire system.
  • FIG. 2a shows an enlarged view of a writing tip 40 which has the writing pen 24 which has a grain 42 at its front tip.
  • the main liquid channel 16 is located below the nib 24 and ends below the nib at the delivery point 22.
  • the junction point 20, which is also referred to as a fluidic T-piece, is also located within the writing tip.
  • the secondary container which in the embodiment shown in FIG. 2a is formed by a secondary liquid channel 26a and a storage area 26b.
  • the fill level sensor 30 Within the storage area of the secondary container 26 is the fill level sensor 30, which measures the fill level in the storage area 26b of the secondary container 26.
  • the secondary container 26 is coupled to the ambient atmosphere via an elongated meandering channel 28a and an opening 28b of the channel.
  • the long meandering ventilation channel 28a provides sure that the evaporation rate of the liquid in the secondary container 26 is minimized.
  • the channel has the smallest possible cross-section and that the opening of the channel, which is designated by reference numeral 28b, is non-wetting towards the surroundings.
  • a capillary negative pressure is generated which is greater in the main flow than in the secondary container 26. This is realized by a larger capillary gap in the secondary container 26 compared to the main flow.
  • FIG 2b shows an alternative embodiment of a writing tip 40 ', in which the secondary container 26 is located directly below the writing pen 24.
  • This embodiment has the advantage that the hole usually present in the nib can be used as ventilation 28 of the secondary container 26.
  • the preferred filling of the main fluid channel 16 is again ensured by a capillary negative pressure in that the capillary gap of the main flow is made larger than the capillary gap in the secondary flow, that is to say the capillary gap which is formed by the secondary liquid channel 26a and the storage area 26b.
  • 2c shows a further possibility of designing the writing tip 40 ′′, the secondary container in the exemplary embodiment shown in FIG. 2c being dimensioned in such a way that its volume increases disproportionately in the filling direction, which is due to the non-parallel arrangement of the fill level sensor 30 with the writing pen 24 is reached. A decreasing capillary pressure in the secondary container 26 is thus achieved with an increasing fill level.
  • 2c also shows a section of the electronics belonging to the valve control 32, which can be connected to the fill level sensor 30, for example by means of bond wires 34.
  • the surface of the secondary container and the surface of the main fluid channel should be wetting, so that the liquid, that is to say the ink in the example of the writing instrument, does not automatically leak without a customer.
  • the opening of the secondary container to the environment should be non-wetting in order to minimize the rate of evaporation.
  • the embodiment shown in FIG. 2a has the advantage over the vents shown in FIGS. 2b and 2c that a long channel with a small cross section is provided.
  • the embodiment shown in FIGS. 2b and 2c is easy to implement, since the opening does not have to be provided, especially since the hole usually present in the nib 24 can be used.
  • a capacitive fill level sensor which has an electrode arrangement, a passivation layer which is arranged on the electrode arrangement and has a contact electrode.
  • the contact electrode is in electrically conductive contact with the electrically conductive ink, so that the electrically conductive ink as a capacitor electrode, the electrode arrangement as another capacitor electrode, and the region of the passivation layer which is wetted by the electrically conductive liquid as a dielectric a measuring capacitor acts, the capacity of which depends on the degree of wetting of the passivation layer by the electrically conductive liquid. Because of the use of the liquid to be measured as an electrical conductor and thus as a capacitor plate, such a sensor is distinguished by a high sensitivity and by a very low dependence on the liquid to be measured.
  • Suitable materials for the design of the main fluid channel and the secondary container are polypropylene (PP), polycarbonate (PC) or LCP. These materials are not wetting per se, but can be activated and stained well in order to have wetting surface properties. ABS should also be mentioned in particular for the wetting materials.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Dosiervorrichtung und insbesondere auf eine Dosiervorrichtung zur bedarfsabhängigen Dosierung einer Flüssigkeit sowie auf ein Schreibgerät mit einer solchen Dosiervorrichtung.
  • Ein elektronisch gesteuertes Schreibgerät ist in der EP 0096177, gegenüber der des Anspruch 1 abgegrenzt ist, offenbart. Das elektronische Schreibgerät umfaßt eine Schreibspitze, welche sich in einen Kapillarraum, der auch als sekundärer Vorratsraum bezeichnet wird, erstreckt. Der kleinvolumige sekundäre Vorratsraum ist mit einem großvolumigen primären, unter Druck stehenden Tintenvorratsraum durch einen Tintenkanal fluidisch verbunden, wobei sich in dem Tintenkanal ein Nachladeventil befindet. Wenn der Fluidstand in dem sekundären Vorratsraum zu niedrig ist, wird das Nachladeventil angesteuert, um sich eine bestimmte Zeit lang zu öffnen, bis von dem primären Vorratsraum genug Tinte in den sekundären Vorratsraum transportiert worden ist, daß sich dort ein ausreichender Füllstand einstellt. Die Füllstandshöhe im sekundären Vorratsraum wird unter Verwendung eines kapazitiven Sensors gemessen. Der kapazitive Sensor ist als Zylinderkondensator ausgeführt, dessen Kapazität von dem Füllvolumen des sekundären Vorratsraums abhängt. Um geringe Kapazitätsveränderungen messen zu können, wird eine Resonanzschaltung verwendet, die die Kapazitätsänderung durch Verstimmung eines Schwingkreises digital mißt. Diese Schaltung umfaßt neben der zu messenden Kapazität eine zusätzliche Kapazität und einen Quarzoszillator. Zusätzlich wird ein Zählwerk verwendet, um die Differenz der Schwingfrequenzen als Hinweis auf die Kapazitätsveränderung messen zu können.
  • Bedarfsabhängige Dosiervorrichtungen bilden ein Regelsystem, das aus einem Vorratstank, einem Pufferreservoir und einer Druckregeleinheit besteht. Die Abgabe der Flüssigkeit erfolgt aus dem Pufferreservoir. Sinkt der Druck im Pufferreservoir durch die Abgabe von Flüssigkeit unter eine gewisse Schwelle, so wird von der Druckregeleinheit der Druck im Pufferreservoir ausgeglichen, indem Flüssigkeit vom Vorratstank in das Pufferreservoir umgefüllt wird.
  • Solche Dosiervorrichtungen sind bezüglich des Umgebungsdrucks unterdruckgeregelt, so daß sowohl das Pufferreservoir als auch der Vorratstank druckdicht gegenüber dem Umgebungsdruck verschlossen sein müssen. Um jedoch aus einem druckdichten Gefäß Flüssigkeit entnehmen zu können, muß sich ein Gasvolumen in diesem Gefäß befinden. Dieses Gasvolumen unterliegt wiederum den Gasgesetzen und dehnt sich z. B. bei einer Erwärmung aus, was zu einer Druckerhöhung in dem Gefäß führt. Dadurch kann der Unterdruck in dem Gefäß abgebaut werden, so daß die unterdruckgeregelte Abgabe von Flüssigkeit nicht mehr funktioniert. Ein weiterer möglicher Abbau des Unterdrucks erfolgt durch eine Verringerung des Umgebungsdrucks.
  • Darüberhinaus erfordern solche Dosiervorrichtungen eine einseitige Verbindung von Vorratstank und Pufferreservoir mit der Umgebungsluft zum Zweck des Gaseintritts. Diese Verbindung kann bei einem Störfall zu einer Leckage der gespeicherten Flüssigkeit führen.
  • Für bestimmte Dosiervorrichtung, wie sie beispielsweise in einem Füller einzusetzen sind, ist eine bedarfsabhängige Abgabe von Flüssigkeit wichtig. Die abgegebene Menge sollte sich direkt an die Anforderungen des Abnehmers, d. h. im Falle eines Füllers an seine Schreibgeschwindigkeit, anpassen können. Es muß gewährleistet sein, daß der Flüssigkeitsstrom bei einer konstanten oder wechselnden Abnahme nicht unterbrochen wird. Ein solcher Störfall der Unterbrechung könnte beispielsweise bei der Entnahme aus einem geschlossenen Tank auftreten, da bei dessen Entleerung wechselnde Druckverhältnisse herrschen können und dadurch der Flüssigkeitsstrom pulsieren kann.
  • Ein weiterer Störfall kann durch die Verdunstung der Flüssigkeit an der Abgabestelle auftreten. Feste Rückstände aus der Flüssigkeit, welche im Falle eines Füllers die Tinte ist, könnten die Abgabeöffnung verschließen und keine weitere Entnahme ermöglichen. Es muß daher gewährleistet sein, daß entweder keine Verdunstung auftritt, oder die Abgabestelle immer mit Flüssigkeit benetzt ist. Der letztere Fall der ständigen Benetzung erfordert ein entsprechend der Verdunstungsrate geregeltes Nachströmen von Flüssigkeit.
  • Die DE 33 21 301 A1 offenbart ein Tintenversorgungssystem für mit flüßiger Tinte arbeitende Schreibgeräte, welche einen großvolumigen Tintenraum aufweisen, der über ein Nachladeventil mit einem kleinvolumigen, dem Schreiborgan benachbarten Tintenvorratsraum in Verbindung steht. Die Überführung der Tinte vom großvolumigen Tintenraum zum sekundären Vorratsraum erfolgt sensorgesteuert in Abhängigkeit von dem im sekundären Tintenraum vorhandenen Tintenvolumen. Als Nachladeventil wird eine Schlauchpumpe verwendet, die rotierend mit einem Elektromotor angetrieben wird und den Förderdruck erzeugen kann, der benötigt wird, um die Tinte zum sekundären Tintenraum zu fördern.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine sichere Dosiervorrichtung zur bedarfsabhängigen Dosierung einer Flüssigkeit zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Dosiervorrichtung nach Patentanspruch 1 gelöst.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Schreibgerät für ein flüssiges Schreibmedium mit einer solchen Dosiervorrichtung zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Schreibgerät nach Patentanspruch 16 gelöst.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß von dem Konzept ausgegangen werden muß, bei dem die abgegebene Flüssigkeit unmittelbar aus dem Puffervolumen zur Abgabestelle gelangt. Stattdessen wird bei der erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung die abgegebene Flüssigkeit über den Haupt-Flüssigkeitskanal zugeführt, der sich unmittelbar von dem Primärbehälter zur Abgabestelle erstreckt. Zur Erfassung des Flüssigkeitsstroms von dem Primärbehälter über den Haupt-Flüssigkeitskanal zur Abgabestelle der Dosiervorrichtung ist ein Sekundärbehälter an einer Verzweigungsstelle mit dem Haupt-Flüssigkeitskanal fluidisch gekoppelt, also im Nebenstrom angeordnet. Der Flüssigkeitsstand in dem Sekundärbehälter wird mittels eines Füllstandsensors gemessen, welcher wiederum eine Ventilsteuerung speist, um ein zwischen dem Primärbehälter und der Abzweigungsstelle vorgesehenes Ventil im Haupt-Flüssigkeitskanal zu steuern. Erfindungsgemäß ist der Sekundärbehälter belüftet und so mit Haupt-Fluidkanal gekoppelt, daß sich der Haupt-Fluidkanal bevorzugt vor dem Sekundärbehälter mit der Flüssigkeit füllt.
  • Die erfindungsgemäße Dosiervorrichtung verwendet somit den Füllstand im Nebenstrom als Regelgröße, während im Stand der Technik der Füllstand im Hauptstrom zur Steuerung des Ventils eingesetzt worden ist. Da das Ventil bei der erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung den ungewollten Nachfluß von Flüssigkeit aus dem Primärbehälter aktiv verhindert, kann neben einer Belüftung des Sekundärbehälters auch eine Belüftung des Primärbehälters vorgesehen werden. Die Gasdrücke im Primärbehälter und im Sekundärbehälter können sich somit immer auf Umgebungsdruck befinden.
  • Der Fluß im Haupt-Flüssigkeitskanal wird erfindungsgemäß nicht direkt im Hauptstrom selbst gemessen, sondern über den Füllstand in dem vom Hauptstrom getrennten Sekundärbehälter, welcher so an dem Hauptstrom angekoppelt ist, daß sich der Hauptstrom bevorzugt vor dem Nebenstrom befüllt. Dies kann bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung durch eine kapillare Dimensionierung des Haupt-Flüssigkeitskanals und des Sekundärbehälters erreicht werden. Wird Flüssigkeit entnommen, so sinkt der Füllstand im Sekundärbehälter und umgekehrt. Über diese Änderung kann der Verbrauch von Flüssigkeit direkt gemessen werden, und der Nachfluß kann abhängig davon über das Ventil geregelt werden.
  • Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß sowohl der Sekundärbehälter als auch der Primärbehälter vom Umgebungsdruck und von der Umgebungstemperatur unabhängig ausgeführt sein können. Die dadurch verursachten Störfälle können somit nicht mehr auftreten.
  • Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß durch eine geeignete Wahl der Oberflächeneigenschaften innerhalb des Sekundärbehälters und der angrenzenden Kanäle die Möglichkeit besteht, die Kapillarkräfte so auszulegen, daß die Dosiervorrichtung, wenn sie keine Flüssigkeit abgeben soll, nicht selbstständig ausläuft, oder das Sekundärvolumen bei einer Druckerhöhung in dem Haupt-Flüssigkeitskanal nicht überläuft.
  • Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß der Sekundärbehälter belüftet werden kann und durch geometrische Auslegung so dimensioniert werden kann, daß mit zunehmendem Füllstand der Kapillardruck im Sekundärbehälter abnimmt. Dies kann bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung durch eine Querschnittsvergrößerung über dem Befüllweg realisiert werden. Für eine solche überproportionale Zunahme des Volumens über dem Befüllweg im Sekundärbehälter kann im Sekundärbehälter insbesondere bei kapillaren Systemen eine eindeutige Befüllungs- oder Entleerungsrichtung ausgeprägt werden.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung;
    Fig. 2a
    eine Ankopplung des Sekundärbehälters an den Haupt-Flüssigkeitskanal gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
    Fig. 2b
    eine Ankopplung des Sekundärbehälters an den Haupt-Flüssigkeitskanal gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    Fig. 2c
    eine Ankopplung des Sekundärbehälters an den Haupt-Flüssigkeitskanal gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    Fig. 3a
    bis 3c Prinzipskizzen zur Erläuterung der Funktion eines herkömmlichen hydrostatischen Füllers.
  • Bevor im nachfolgenden auf ein erfindungsgemäßes elektronisches Schreibgerät, beispielsweise einen elektronischen Füller, eingegangen wird, bei dem das Dosierprinzip gemäß der vorliegenden Erfindung besonders vorteilhaft eingesetzt werden kann, sei zunächst zum Verständnis der allgemeinen fluidischen Zusammenhänge auf die Fig. 3a bis 3c Bezug genommen. Diese Figuren zeigen einen konventionellen, hydrostatischen Füller, welcher nicht elektronisch geregelt wird. Der Füller umfaßt ein Füllergehäuse 70, in dem sich eine Füllerpatrone 72 befindet, die auf einer Kunststoffkomponente 74 aufgesteckt ist. Die Tinte wird schließlich über eine Feder 76 abgegeben, um einen Strich 78 zu erzeugen.
  • Ein konventioneller Füller kann allgemein als ein komplexes Mikrodosiersystem betrachtet werden. Eine Eigenschaft dieses Systems besteht darin, daß alle wesentlichen fluidischen Funktionen in der einzigen preiswert herstellbaren Kunststoffkomponente 74 integriert sind.
  • Das fluidische System zeigt dann Schwächen, wenn sogenannte Störfälle auftreten, beispielsweise die Änderung der Umgebungstemperatur sowie die Veränderung der äußeren Luftdrucks, wie sie z. B. im Inneren eines startenden Flugzeugs auftreten kann.
  • Im nachfolgenden wird auf Fig. 3b Bezug genommen, in der das fluidische Konzept des konventionellen Füllers dargestellt ist. Es existiert wieder die Patrone 72, die sowohl eine Belüftung 80 hat, und die als Auslaß einen Tintenleiter 82 aufweist, der mit einer Mehrzahl von Ausgleichskammern 84 gekoppelt ist, die sich üblicherweise unterhalb der Feder 76 eines Füllers befinden. Um Tinte abgeben zu können, muß die Tintenpatrone 72 belüftet werden. Wäre hierfür ein ungehinderter Lufteintritt vorgesehen, so würde die gesamte in der Tintenpatrone vorhandene Tinte aufgrund des hydrostatischen Druckes über die Feder abgegeben werden. Eine geregelte Abgabe, wie sie zum Schreiben erforderlich ist, wäre dann nicht möglich. Um diese Art der Abgabe zu ermöglichen, ist die Belüftung 80 der Tintenpatrone 72 in Form eines von Tinte benetzten kurzen Kapillarkanals ausgeführt. Dieser Kanal öffnet sich erst dann, wenn in der Tintenpatrone ein Unterdruck aufgebaut ist, der dem Kapillardruck der Tinte im Tintenleiter 82 entspricht. In diesem Augenblick wird die Tinte vom Unterdruck in der Tintenpatrone aus dem Kanal herausgesaugt, und Luft kann von außen nachströmen. Der Vorgang endet, wenn die einströmende Luft den Unterdruck in der Patrone abgebaut hat. In diesem Moment benetzt die Tinte wieder den kurzen Kapillarkanal 80 und verschließt ihn damit.
  • Während der Belüftung fließt Tinte aus der Patrone 72 heraus. Um die unkontrollierte Abgabe an das Papier in dieser Phase zu vermeiden, muß der Teil des Tintenvolumens, der nicht zum Schreiben verwendet wird, in den Ausgleichskammern 84, welche einen Zwischenspeicher oder ein Sekundärvolumen bilden, gespeichert werden. Typischerweise ist der Zwischenspeicher als kapillarer Speicher unterhalb der Feder 76 in Form von planparallelen Platten ausgebildet, die als Ausgleichskammern bezeichnet werden. Dieser Speicher nimmt die überschüssige Menge an Tinte auf und gibt sie im Verlauf des weiteren Schreibvorgangs wieder an das Papier ab. Ist der Zwischenspeicher geleert, so wird die zum Schreiben erforderliche Tinte aus der Patrone 72 entnommen. In dieser vergrößert sich damit der Unterdruck, und beim Unterschreiten des kritischen Wertes öffnet sich wieder der kurze Kapillarkanal 80, und der Zyklus beginnt von vorne.
  • Bei einer Änderung der Umgebungstemperatur dehnt sich das in der Patrone 72 vorhandene Luftvolumen aus und verdrängt gespeicherte Tinte. Der Vorgang tritt ebenfalls bei einer Änderung des äußeren Luftdrucks auf. Das bei diesen sogenannten Störfällen aus der Patrone 72 austretende Tintenvolumen muß von den Ausgleichskammern 84 unter der Feder aufgenommen werden. Der Einsatz des Systems wird somit stark von dem zur Verfügung stehenden Raum im Sekundärvolumen unter der Feder begrenzt.
  • Ein Nachteil dieses konventionellen Systems ist also die begrenzte Störfalltoleranz. Ein weiterer Nachteil ist, daß die zuverlässige Funktion des Systems stark von der Abstimmung der in der Belüftung 80 und dem Sekundärvolumen 84 wirksamen Kapillardrücke abhängt. Diese sind wiederum eine Funktion der Oberflächeneigenschaften der verwendeten Materialien und somit stark von den Herstellparametern und Verschmutzungen der Oberflächen abhängig.
  • Fig. 1 stellt eine erfindungsgemäße Dosiervorrichtung anhand einer Prinzipskizze dar. Die Dosiervorrichtung umfaßt einen Primärbehälter zum Speichern von Flüssigkeit 12. In dem Primärbehälter 10 befindet sich somit die Flüssigkeit 12 und ein Gasvolumen 14. Der Primärbehälter ist mit einem Haupt-Flüssigkeitskanal 16 verbunden, der sich von einem Ausgang des Primärbehälters über ein Ventil 18 und einen Abzweigungspunkt 20 zu einer Abgabestelle 22 erstreckt, welche im Falle der Verwendung der erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung in einem Füller mit einer Schreibfeder 24 verbunden ist. Mit dem Verzweigungspunkt 20 ist ein Sekundärbehälter 26 verbunden, welcher über eine Belüftung 28 mit der Umgebungsatmosphäre kommuniziert. Der Flüssigkeitsstand im Sekundärbehälter 26 wird mittels eines Füllstandssensors 30 gemessen, welcher seine Meßsignale einer Ventilsteuerung 32 zuführt, die das Ventil 18 öffnen und schließen kann.
  • Dieses Ventil ist im Ruhezustand geschlossen und verhindert so bei Temperatur- und Druckänderungen die Abgabe von Tinte aus dem Primärbehälter 10 zur Schreibfeder 24. Im Betrieb wird das Ventil 18 von dem Sensor 30 und der Ventilsteuerung 32 gesteuert. Wie es anhand der Fig. 2a bis 2c nachfolgend erörtert wird, befindet sich der Sensor bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung in dem Sekundärbehälter unterhalb der Schreibfeder 24 und überwacht den Füllstand des Sekundärbehälters 26. Der Sekundärbehälter ist über ein fluidisches T-Stück, welches durch den Verzweigungspunkt 20 in Fig. 1 schematisch dargestellt ist, an den Haupt-Flüssigkeitskanal zwischen dem Ventil 18 und der Schreibfeder 24 angekoppelt. Das T-Stück 20 ist kapillar so ausgelegt, daß sich bei der ersten Befüllung der vordere Teil der Feder, also die Federspitze mit dem Korn, vor dem Sekundärbehälter befüllt. Der Sekundärbehälter ist dabei in Form eines Kapillarspalts realisiert, dessen Abstand bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel (auf das in Fig. 2c detaillierter eingegangen wird) kontinuierlich zunimmt. So wird erreicht, daß der wirksame Kapillardruck mit zunehmender Befüllung abnimmt wenn sich das Volumen definiert befüllt.
  • Beim Schreiben wird Tinte über die Abgabestelle 22 und die Schreibfeder 24 aus dem Haupt-Flüssigkeitskanal abgegeben. Diese Tinte stammt aus dem Sekundärbehälter, wenn davon ausgegangen wird, daß das Ventil gerade geschlossen ist. Die Tinte wird jedoch nicht unmittelbar aus dem Sekundärbehälter abgegeben, sondern aus dem Haupt-Flüssigkeitskanal, da der Sekundärbehälter nur über den Haupt-Flüssigkeitskanal und nicht unmittelbar selbst mit der Abgabestelle kommuniziert. Entleert sich das Tintenvolumen im Sekundärbehälter unter einen definierten Punkt, so wird das Ventil 18 wieder geöffnet, und Tinte strömt in das Puffervolumen im Sekundärbehälter nach. Hat der Füllstand im Sekundärbehälter wieder eine obere Schranke erreicht, so wird das Ventil geschlossen. Die Ventilsteuerung kann mittels eines Zweipunktreglers erfolgen, welcher den minimalen oder maximalen Füllstand des Sekundärbehälters überwacht. Weiterhin ist jedoch auch eine analoge Regelung möglich, die das Ventil entsprechend des Füllstands im Sekundärbehälter mehr oder weniger weit öffnet. Bei der erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung kann der Primärbehälter belüftet sein, oder aber unter Druck stehen. Erfindungsgemäß wird jedoch in Anbetracht der hohen Belastung des Ventils 18 bei unter Druck stehendem Primärbehälter ein belüfteter Primärbehälter bevorzugt Es sei darauf hingewiesen, daß bei unter Druck stehendem primärem Vorratsbehälter ein relativ starkes Ventil nötig ist, um den Druck des Vorratsbehälters aushalten zu können. Dies kann zu erhöhten Kosten des gesamten Systems führen.
  • Fig. 2a zeigt eine vergrößerte Ansicht einer Schreibspitze 40, welche die Schreibfeder 24 aufweist, die an ihrer vorderen Spitze ein Korn 42 aufweist. Unterhalb der Schreibfeder 24 befindet sich der Haupt-Flüssigkeitskanal 16, welcher unterhalb der Schreibspitze an der Abgabestelle 22 endet. Innerhalb der Schreibspitze befindet sich ferner der Verzweigungspunkt 20, welcher auch als fluidisches T-Stück bezeichnet wird. Im Nebenstrom befindet sich der Sekundärbehälter, der bei dem in Fig. 2a gezeigten Ausführungsbeispiel durch einen Neben-Flüssigkeitskanal 26a und einen Speicherbereich 26b gebildet wird. Innerhalb des Speicherbereichs des Sekundärbehälters 26 befindet sich der Füllstandssensor 30, der den Füllstand im Speicherbereich 26b des Sekundärbehälters 26 mißt. Der Sekundärbehälter 26 ist über einen länglichen meanderförmigen Kanal 28a und eine Öffnung 28b des Kanals mit der Umgebungsatmosphäre gekoppelt. Der lange meanderförmig ausgestaltete Belüftungskanal 28a stellt sicher, daß die Verdunstungsrate der Flüssigkeit im Sekundärbehälter 26 minimiert ist. Hierzu wird es ferner bevorzugt, daß der Kanal einen möglichst geringen Querschnitt hat, und daß die Öffnung des Kanals, die mit dem Bezugszeichen 28b bezeichnet ist, zur Umgebung hin nicht-benetzend ausgeführt ist.
  • Um die bevorzugte Befüllung des Haupt-Fluidkanals 16 sicherzustellen, wird ein kapillarer Unterdruck erzeugt, der im Hauptstrom größer als im Sekundärbehälter 26 ist. Realisiert wird dies durch einen gegenüber dem Hauptstrom größeren Kapillarspalt im Sekundärbehälter 26. Diese Gegebenheiten sind in Fig. 2a schematisch dargestellt, wobei die Zeichnung jedoch nicht maßstabsgerecht ist.
  • Fig. 2b zeigt eine alternative Ausführung einer Schreibspitze 40', bei der sich der Sekundärbehälter 26 unmittelbar unterhalb der Schreibfeder 24 befindet. Diese Ausführung hat den Vorteil, daß die üblicherweise in der Schreibfeder vorhandene Bohrung als Belüftung 28 des Sekundärbehälters 26 verwendet werden kann. Die bevorzugte Befüllung des Haupt-Fluidkanals 16 wird wieder durch einen kapillaren Unterdruck sichergestellt, indem der Kapillarspalt des Hauptstroms größer ausgeführt ist als der Kapillarspalt im Nebenstrom, also der Kapillarspalt, der durch den Neben-Flüssigkeitskanal 26a und den Speicherbereich 26b gebildet wird.
  • Fig. 2c zeigt eine weitere Möglichkeit der Ausführung der Schreibspitze 40' ', wobei der Sekundärbehälter bei dem in Fig. 2c gezeigten Ausführungsbeispiel derart dimensioniert ist, daß sein Volumen in Befüllungsrichtung überproportional zunimmt, was durch die nicht-parallele Anordnung des Füllstandsensors 30 zur Schreibfeder 24 erreicht wird. Damit wird bei zunehmendem Füllstand ein abnehmender Kapillardruck im Sekundärbehälter 26 erzielt. Fig. 2c zeigt ferner noch einen Ausschnitt des zur Ventilsteuerung 32 gehörigen Elektronik, welche beispielsweise mittels Bonddrähten 34 mit dem Füllstandssensor 30 verbunden sein kann.
  • Für alle in den Fig. 2a bis 2c gezeigten Ausführungsbeispiele soll die Oberfläche des Sekundärbehälters und die Oberfläche des Haupt-Fluidkanals benetzend sein, damit die Flüssigkeit, also beim Beispiel des Schreibgeräts die Tinte, ohne Abnehmer nicht selbstständig ausläuft. Demgegenüber sollte die Öffnung des Sekundärbehälters zur Umgebung nicht-benetzend sein, um die Verdunstungsrate zu minimieren. Das in Fig. 2a gezeigte Ausführungsbeispiel hat gegenüber den in den Fig. 2b und 2c gezeigten Belüftungen den Vorteil, daß ein langer Kanal mit kleinem Querschnitt vorgesehen ist. Demgegenüber ist jedoch die in den Fig. 2b und 2c gezeigte Ausführung einfach zu realisieren, da die Öffnung nicht extra vorgesehen werden muß, zumal die üblicherweise in der Schreibfeder 24 vorhandene Bohrung ausgenutzt werden kann.
  • Als Füllstandssensor können verschiedene Sensoren eingesetzt werden, beispielsweise ein Leitfähigkeitssensor, ein Resonanzsensor, ein optischer Sensor oder ein kapazitiver Sensor. Für die Anwendung der erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung bei einem elektronischen Füller wird ein kapazitiver Füllstandssensor bevorzugt, welcher eine Elektrodenanordnung, eine Passivierungsschicht, die auf der Elektrodenanordnung angeordnet ist und eine Kontaktelektrode aufweist. Bei diesem bevorzugten kapazitiven Füllstandssensor ist die Kontaktelektrode in elektrisch leitfähigem Kontakt mit der elektrisch leitfähigen Tinte, so daß die elektrisch leitfähige Tinte als eine Kondensatorelektrode, die Elektrodenanordnung als andere Kondensatorelektrode und der Bereich der Passivierungsschicht, der durch die elektrisch leitfähige Flüssigkeit benetzt ist, als Dielektrikum eines Meßkondensators wirkt, dessen Kapazität vom Benetzungsgrad der Passivierungsschicht durch die elektrisch leitfähige Flüssigkeit abhängt. Ein solcher Sensor zeichnet sich aufgrund der Verwendung der zu messenden Flüssigkeit als elektrischer Leiter und damit als Kondensatorplatte durch eine hohe Empfindlichkeit und durch eine sehr geringe Abhängigkeit von der zu messenden Flüssigkeit aus.
  • Geeignete Materialien für die Ausführung des Haupt-Fluidkanals und des Sekundärbehälters sind Polypropylen (PP), Polykarbonat (PC) oder LCP. Diese Materialien sind an sich nicht benetzend, können aber, um benetzende Oberflächeneigenschaften zu haben, gut aktiviert und gebeizt werden. Insbesondere ist bei den benetzenden Materialien auch ABS zu nennen.

Claims (16)

  1. Dosiervorrichtung zur bedarfsabhängigen Dosierung einer Flüssigkeit (12), mit folgenden Merkmalen:
    einem Primärbehälter (10) zum Speichern der Flüssigkeit (12);
    einer Abgabestelle (22) zum Abgeben der Flüssigkeit;
    einem Haupt-Flüssigkeitskanal (16) zwischen dem Primärbehälter (10) und der Abgabestelle (22);
    einem Sekundärbehälter (26) zum Puffern der Flüssigkeit, wobei der Sekundärbehälter (26) eine Belüftung (28) aufweist;
    einem Ventil (18);
    einem Sensor (30) zum Messen des Füllstands in dem Sekundärbehälter (26); und
    einer Einrichtung (32) zum Öffnen des Ventils (18) ansprechend auf einen vorbestimmten Füllstand in dem Sekundärbehälter,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Sekundärbehälter (26) mit einem Abzweigungspunkt (20) im Haupt-Flüssigkeitskanal (16) verbunden ist, wobei der Sekundärbehälter (26) so mit dem Haupt-Flüssigkeitskanal (16) gekoppelt ist, daß sich der Haupt-Flüssigkeitskanal bevorzugt vor dem Sekundärbehälter (26) mit der Flüssigkeit füllt, und
    daß das Ventil (18) zwischen dem Primärbehälter (10) und dem Abzweigungspunkt (20) angeordnet ist.
  2. Dosiervorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Primärbehälter (10) belüftet ist und einen Gasdruck aufweist, der dem Umgebungsdruck entspricht.
  3. Dosiervorrichtung nach Anspruch 1, bei der die bevorzugte Füllung das Haupt-Flüssigkeitskanals (16) vor dem Sekundärbehälter (26) durch unterschiedliche kapillare Dimensionierung der beiden Elemente erreicht wird.
  4. Dosiervorrichtung nach Anspruch 3, bei der der kapillare Unterdruck im Haupt-Flüssigkeitskanal (16) größer als in dem Sekundärbehälter (26) ist.
  5. Dosiervorrichtung nach Anspruch 4, bei der ein Kapillarspalt des Haupt-Flüssigkeitskanals (16) größer als ein Kapillarspalt des Sekundärbehälters (26) ist.
  6. Dosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Sekundärbehälter (26) an seinem zum Abzweigungspunkt (20) hin gerichteten Ende einen Neben-Flüssigkeitskanal (26a) aufweist, der den Abzweigungspunkt (20) mit einem Speicherbereich (26b) des Sekundärbehälters (26) verbindet, wobei der Sensor (30) in dem Speicherbereich (26b) des Sekundärbehälters (26) angeordnet ist.
  7. Dosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Oberfläche des Haupt-Fluidkanals (16) benetzend ist.
  8. Dosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Oberfläche des Sekundärbehälters (26) benetzend ist.
  9. Dosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Sekundärbehälter (26) einen vom Füllstand abhängigen Kapillardruck aufweist.
  10. Dosiervorrichtung nach Anspruch 9, bei der ein Querschnitt des Sekundärbehälters (26) senkrecht zur Befüllungsrichtung mit zunehmender Befüllungsrichtung zunimmt.
  11. Dosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Belüftung des Sekundärbehälters (26) durch eine Öffnung zur Umgebung realisiert ist, wobei die Öffnung so an dem Sekundärbehälter (26) angeordnet ist, daß sie erst dann von der Flüssigkeit erreicht wird, wenn der Sekundärbehälter maximal gefüllt ist.
  12. Dosiervorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Öffnung nicht-benetzend ausgeführt ist.
  13. Dosiervorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, bei der die Öffnung einen kleinen Querschnitt aufweist und über eine große Kanallänge (28a) mit dem Sekundärbehälter (26) fluidisch verbunden ist.
  14. Schreibgerät für ein flüssiges Schreibmedium, mit folgenden Merkmalen:
    einer Dosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13;
    einer Schreibeinrichtung (24), die mit der Abgabestelle (22) gekoppelt ist.
  15. Schreibgerät nach Anspruch 14, das als Füller ausgeführt ist, bei dem das flüssige Schreibmedium Tinte ist, und bei dem die Schreibeinrichtung (24) eine Feder ist.
  16. Schreibgerät nach Anspruch 15, bei dem die Belüftung (28) des Sekundärbehälters (26) durch eine Bohrung in der Feder (24) realisiert ist.
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