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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich allgemein auf das Gebiet des Tintenstrahldruckens, und im besonderen
auf die Lieferung von Tinte an Tintenstrahldruckköpfe.
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Die Tintenstrahltechnologie ist relativ
weit entwickelt. Die Grundlagen dieser Technologie werden von W.
J. Lloyd und H. T. Taub in „Ink-jet
Devices", Kapitel
13 von Output Hardcopy Devices (Ed. R. C. Durbeck und S. Sherr,
Academic Press, San Diego, 1988) und in verschiedenen Artikeln im
Hewlett-Packard Journal, Vol. 36, Nr. 5 (Mai 1985), Vol. 39, Nr.
4 (August 1988), Vol. 39, Nr. 5 (Oktober 1988), Vol. 43, Nr. 4 (August
1992), Vol. 43, Nr. 6 (Dezember 1992) und Vol. 45, Nr. 1 (Februar
1994) beschrieben.
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Der typische Thermotintenstrahldruckkopf weist
ein Array aus präzise
gebildeten Düsen
auf, die an einem Druckkopfsubstrat befestigt sind, das ein Array
aus Abfeuerungskammern beinhaltet, die flüssige Tinte (d. h. in einem
Lösungsmittel
aufgelöste oder
dispergierte Farbmittel) von einem Tintenreservoir empfangen. Jede
Kammer weist einen als „Abfeuerungswiderstand" bekannten Dünnfilmwiderstand
auf, der gegenüber
der Düse
angeordnet ist, so daß sich
Tinte zwischen demselben und der Düse sammeln kann. Wenn elektrische
Druckpulse den Thermotintenstrahlabfeuerungswiderstand erhitzen, verdampft
ein kleiner Teil der Tinte in der Nähe desselben und stößt einen
Tintentropfen aus dem Druckkopf aus. Die Düsen sind in einem Matrixarray
angeordnet. Ein ordnungsgemäßes Sequenzieren
des Betriebs jeder Düse
bewirkt, daß auf
dem Papier Schriftzeichen oder Bilder entstehen, während sich der
Druckkopf über
das Papier bewegt.
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In Druckkassetten eingeschlossene
Luft wird zu einem immer schwererwiegenden Problem. In der Vergangenheit
wurde die Akkumulierung von Luft in Druckkassetten hauptsächlich ignoriert,
da die Kassetten groß waren
und die Luft ohne weiteres lagern konnten, und weil die Kassetten
kurze Betriebslebensdauern aufwiesen und nicht bedeutende Mengen
an Luft akkumulierten. Bei hochentwickelten Druckkassettenentwürfen der
heutigen Zeit werden jedoch die Durchgangswege, Partikelfilter, Öffnungen
und Leitungen immer kleiner. Bei diesen kleineren Abmessungen tendieren
Luft und Luftblasen dazu, den Tintenfluß durch die Druckkassette zu
blockieren und zu bewirken, daß die
Düsen keine
Tinte ausstoßen.
Dies führt
zu einem Versagen der Druckkassette und zu dem Erfordernis, diese
frühzeitig auszutauschen.
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In Druckkassetten eingeschlossene
Luft stammt aus einer Mehrzahl von Quellen. Anfänglich ist Luft vorhanden,
weil sie während
der Herstellung nicht vollständig
abgeführt
wurde. Zweitens waren vielleicht während der Montage in den Tintenröhren, die
den Druckkopf mit dem Tintenreservoir verbinden, Luftblasen vorhanden.
Nach der Herstellung und während
der Lebensdauer der Druckkassette geht etwaige vorhandene, aufgelöste Luft
in der Tinte als Blasen aus der Lösung heraus. Ferner dringt
Luft durch die Tintenbehältnismaterialien
in die Druckkassette ein. Schließlich kann in manchen Fällen Luft durch
die Düsen
in die Druckkassette eindringen.
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Aus unzähligen Gründen gibt das Vorhandensein
von Luft und Luftblasen in Tintenstrahldruckkassetten, das bisher
ignoriert wurde, nun vor, daß der
Umgang mit Luft zu einem der Faktoren wird, die den modernen Tintenstrahlkassettenentwurf
beeinflussen.
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Ein System zum Entfernen von Luft
aus einer Tintenstrahldruckkassette ist in der am 6. November 1990
an Allen erteilten U.S.-Patentschrift 4,968,998 beschrieben.
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In der
EP
770 490 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Entfernen
von Luft aus einer Tintenstrahldruckkassette durch Sammeln von Luft
in einem vorbestimmten Bereich und Abziehen der Luft aus dem Luftsammelbereich
unter Verwendung einer Leitung offenbart.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einem ersten, breit gefaßten Aspekt beinhaltet
die Erfindung ein Tintenstrahlsystem, das ein Tintenreservoir umfaßt, das
mit einer Tintenstrahlkassette gekoppelt ist und eine Vorrichtung zum
Entfernen von Luft aus der Tintenstrahlkassette aufweist, mit folgenden
Merkmalen:
einem Tintenstrahlkassettengehäuse, das eine Mehrzahl von
Kammern zum Beinhalten flüssiger
Tinte in denselben aufweist;
einem an einer Bodenregion des
Gehäuses
angebrachten Druckkopf;
einer ersten Tintenkammer in dem Gehäuse, die
einen Sammelbereich zum Sammeln unerwünschter Luft in dem Gehäuse an einer
der Bodenregion gegenüberliegenden
oberen Region der ersten Tintenkammer aufweist;
einer zu der
ersten Tintenkammer benachbarten zweiten Tintenkammer in dem Gehäuse, die
mit der ersten Kammer fluidisch verbunden ist, um Tinte von derselben
zu empfangen;
einer Leitung, die in dem Gehäuse angebracht ist und die
zweite Tintenkammer mit dem Luftsammelbereich koppelt, indem sie
ein erstes Ende an der zweiten Tintenkammer und ein zweites Ende
in dem Sammelbereich aufweist; und
einer Vakuumquelle, die
selektiv mit dem Gehäuse
in Eingriff genommen werden kann und die unerwünschte Luft von dem Sammelbereich
abzieht, indem die unerwünschte
Luft durch eine nicht-emittierende Düse an der Bodenregion gezogen
wird, so daß die
unerwünschte
Luft aus der Kassette entfernt wird,
wobei die nicht-emittierende
Düse eine Öffnung aufweist,
die größer als
Tintenausstoßdüsenöffnungen ist.
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Gemäß einem zweiten, breit gefaßten Aspekt
beinhaltet die Erfindung eine Tintenstrahlkassette, die eine Luftentfernungsvorrichtung
zum Entfernen von Luft aus der Tintenstrahldruckkassette aufweist,
wobei die Tintenstrahldruckkassette einen Tintenflußweg durch
dieselbe aufweist, wobei die Tintenstrahldruckkassette folgende
Merkmale aufweist:
eine erste Tintenakkumulierungskammer in
der Kassette, die eine Einrichtung zum Aufnehmen von Tinte in derselben
aufweist;
eine zweite Tintenakkumulierungskammer, die unter der
ersten Tintenakkumulierungskammer liegt;
einen vorbestimmten
Sammelbereich für
Luft in der ersten Tintenakkumulierungskammer, wobei die erste Tintenakkumulierungskammer
einen Druck P0 in derselben aufweist;
eine vertikale Leitung
einer vorbestimmten Höhe
L, die in der Kassette angebracht ist und an einem ersten Ende der
vertikalen Leitung, das sich in den Luftsammelbereich erstreckt,
einen Einlaß aufweist,
der sich in Kommunikation mit dem Luftsammelbereich befindet;
eine Öffnung zwischen
der ersten Tintenakkumulierungskammer und der zweiten Akkumulierungskammer
in dem Tintenflußweg,
wobei die Öffnung
eine vorbestimmte geometrische Konfiguration aufweist, derart, daß ein Druckabfall über der Öffnung unter
einer maximalen Tintenströmungsbedingung
während eines
Druckens geringer ist als eine durch die vorbestimmte Höhe der vertikalen
Leitung bestimmte Druckhöhe;
einen
an der Kassette angebrachten und mit der zweiten Tintenakkumulierungskammer
verbundenen Druckkopf zum Pumpen von Tinte durch den Flußweg in
der Druckkassette, wobei sich ein erster Differenzdruck P1 – P0 über die
zweite Tintenakkumulierungskammer für den Druckkopf entwickelt;
und
eine Druckerzeugungseinrichtung, die mit der ersten Tintenakkumulierungskammer
lösbar
in Eingriff gebracht werden kann, zum Entwickeln eines zweiten Differenzdrucks
P3 – P0 über die
zweite Tintenakkumulierungskammer, so daß, wenn sich der erste Differenzdruck
P1 – P0 über die
zweite Tintenakkumulierungskammer entwickelt, Tinte durch die Öffnung fließt und nicht
durch die vertikale Leitung fließt, und so daß, wenn
sich der zweite Differenzdruck P3 – P0 über die zweite Tintenakkumulierungskammer
entwickelt, Luft in der vertikalen Leitung nach unten gepreßt und aus
dem Flußweg
entfernt wird;
wobei unerwünschte
Luft aus dem Sammelbereich entfernt wird, indem die unerwünschte Luft
durch eine nicht-emittierende
Düse an
der Bodenregion gezogen wird, so daß die unerwünschte Luft aus der Kassette
entfernt wird; und
wobei die nicht-emittierende Düse eine Öffnung aufweist,
die größer ist
als Tintenausstoßdüsenöffnungen.
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Ferner ist hierin ein Ausführungsbeispiel
einer Vorrichtung offenbart, die eine erste Leitung, die sich in
Fluidkommunikation mit dem Luftsammelbereich befindet, und eine
zweite Leitung, die sich in Fluidkommunikation mit dem Tintenflußweg befindet, umfaßt. Die
Vorrichtung umfaßt
ferner eine Einrichtung zum Wechseln zwischen der ersten und der zweiten
Leitung, so daß Luft
aus dem Sammelbereich durch die erste Leitung aus der Druckkassette entfernt wird,
und so daß Tinte
durch die zweite Leitung durch den Flußweg in der Druckkassette geleitet wird.
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Weitere Aspekte und Vorteile der
Erfindung ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung, die
in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
zu betrachten ist und die Prinzipien der Erfindung beispielhaft
veranschaulicht.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische, perspektivische Ansicht eines Tintenstrahldruckers.
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2 ist
eine auseinandergezogene, perspektivische Ansicht eines Abschnitts
der Druckkassette der 1.
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3 ist
eine auseinandergezogene, perspektivische Ansicht eines zweiten
Abschnitts der Druckkassette der 1.
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4 ist
ein Querschnitts-Seitenaufriß,
der entlang der Linien 4-4 und 4'-4' in 2 bzw. 3 genommen
ist und die Ansicht die normale Betriebsposition des Druckreglers
veranschaulicht.
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5 ist
ein Querschnitts-Seitenaufriß,
der entlang der Linien 4-4 und 4'-4' in 2 bzw. 3 genommen
ist und das Öffnen
der Öffnung
des Druckreglers, um das Eintreten von Tinte in das Gehäuse der
Druckkassette zu ermöglichen,
veranschaulicht.
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6 ist
ein Querschnitts-Seitenaufriß,
der entlang der Linien 4-4 und 4'-4' in 2 bzw. 3 genommen
ist und veranschaulicht, wie der Akkumulator Änderungen der Tintenmenge berücksichtigt.
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7 ist
ein Querschnitts-Seitenaufriß,
der entlang der Linien 4-4 und 4'-4' in 2 bzw. 3 genommen
ist und veranschaulicht, wie die Servicestation Luft in dem Schnorchel
nach unten und aus dem Druckkopf herauszieht.
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8 ist
ein Querschnitts-Seitenaufriß,
der entlang der Linien 4-4 und 4'-4' in 2 bzw. 3 genommen
ist und veranschaulicht, wie die Servicestation Luft in dem Schnorchel
nach unten und aus dem Druckkopf herauszieht, während sich die Öffnung des
Druckreglers öffnet,
um das Eintreten von Tinte in das Gehäuse der Druckkassette zu ermöglichen.
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9 ein
Querschnitts-Seitenaufriß einer Druckkassette
gemäß einem
alternativen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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10 ist
ein im Querschnitts-Seitenaufriß eines
alternativen Ausführungsbeispiels,
der im wesentlichen entlang der Linien 4-4 und 4'-4' in 2 bzw. 3 genommen ist und die eine Servicestation
veranschaulicht, die einer Membran einen Druck liefert, um akkumulierte
Luft aus dem Druckkopf hinauszupressen, während sich die Öffnung des
Druckreglers öffnet,
um das Eintreten von Tinte in das Gehäuse der Druckkassette zu ermöglichen.
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11 ist
ein Abschnitt des Seitenaufrisses der 8,
der die Verwendung einer nicht-emittierenden Düse, um das Entfernen von Luft
zu ermöglichen,
veranschaulicht.
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12 ist
ein Abschnitt des Seitenaufrisses der 8,
der die Verwendung einer nicht-emittierenden Düse in dem Kassettenkörper, die
mit einem unabhängi gen
Plenum und Schnorchel gekoppelt ist, um das Entfernen von Luft zu
ermöglichen,
veranschaulicht.
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13 ist
ein Abschnitt des Seitenaufrisses der 8,
der die Verwendung einer nicht-emittierenden Düse in dem Druckkopf, die mit
einem unabhängigen
Plenum und Schnorchel gekoppelt ist, um das Entfernen von Luft zu
ermöglichen,
veranschaulicht.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Wie in den Zeichnungen zu Veranschaulichungszwecken
gezeigt ist, ist die Erfindung in einem Verfahren und einer Vorrichtung
zum Entfernen von Luft aus einer Druckkassette unter Verwendung
einer Leitung, die sich in Fluidkommunikation mit einem vorbestimmten
Sammelbereich für
Luft in der Druckkassette befindet, verkörpert.
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Unter Bezugnahme auf 1 gibt Bezugszeichen 12 allgemein
einen Drucker an, der eine Druckkassette 14 umfaßt, die
auf Befehl Tintentropfen 16 ausstößt. Die Tropfen erzeugen Bilder
auf einem Druckmedium 18, beispielsweise Papier. Das Druckmedium
wird durch zwei Druckrollen 20, 20' und einen Motor 21, der
das Druckmedium in Eingriff nimmt, bezüglich der Druckkassette 14 lateral
bewegt. Die Druckkassette wird durch einen Antriebsriemen 23 und
einen Motor 24 über
das Druckmedium hin- und herbewegt. Die Druckkassette enthält eine
Mehrzahl von Abfeuerungswiderständen,
nicht gezeigt, die auf Befehl durch eine elektrische Schaltung 26 mit
Energie versorgt werden. Die Schaltung versorgt die Abfeuerungswiderstände sequentiell
mit Energie, derart, daß,
während
sich die Druckkassette 14 lateral über das Papier bewegt und das
Papier durch die Rollen 20, 20' bewegt wird, die Tropfen 16 Bilder
auf dem Druckmedium 18 erzeugen.
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Unter Bezugnahme auf 1 wird Tinte von einem Tintenreservoir 30 an
die Druckkassette 14 geliefert. Das Tintenreservoir ist
ortsfest und kann entweder schlaff oder mit Druck beaufschlagt sein. Die
Tinte wird von dem Reservoir durch einen integrierten Verbinder 32 geliefert,
der durch ein doppeltwirkendes Ventil 36 entfernbar an
einer Leitung 34 befestigt ist. Der Verbinder 32 ermöglicht,
daß das Reservoir
ausgetauscht wird, wenn der Tintenvorrat erschöpft ist. Die Tinte in dem Reservoir
wird bei einem Druck gehalten, der ausreichend ist, um den Tintenfluß durch
die Leitung 34 aufrechtzuerhalten, der notwendig ist, um
die maximalen Tintenflußanforderungen
der Tintenkassette (die zwischen –20 Zoll und +100 Zoll Wasser
liegen könnten)
zu erfüllen.
Dieser Druck hängt
ferner von dem Durchmesser und der Länge der Leitung 34 ab.
Die Leitung weist eine allgemein spiralförmige Gestalt auf, um die Bewegung der
Druckkassette 14 bezüglich
des Tintenreservoirs 30 zu berücksichtigen. Wenn der Verbinder
von der Leitung getrennt wird, schließt das doppeltwirkende Ventil 36 gleichzeitig
beide Öffnungen,
so daß keine Luft
in das System eindringt. Wenn der Verbinder an der Leitung festgemacht
wird, öffnet
das doppeltwirkende Ventil desgleichen gleichzeitig sowohl den Verbinder 32 als
auch die Leitung 34, um eine Fluidkommunikation der Tinte
zwischen dem Tintenreservoir 30 und der Druckkassette 14 zu
ermöglichen, ohne
Luft in das System eindringen zu lassen.
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Die Leitung 34, 1, endet in einem Partikelfilter 37,
das jegliches Material, das die Tintenkassette 14 während des
Betriebs verstopfen könnte, sammelt.
Das Filter ist auf der Hochdruckseite des Tintendruckreglers angeordnet,
so daß,
falls Luft an dem doppeltwirkenden Ventil 36 oder in der
Leitung 34 in das Reservoir 30 gelangt, der höherer Druck
die Luft zwingt, in die Druckkassette zu strömen und nicht in dem Filter
gefangen zu werden und den Tintenfluß zu behindern.
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Der Drucker 12, 1, umfaßt ferner eine Servicestation 40,
die die Düsen,
nicht gezeigt, auf der Druckkassette 14 mit einem Vakuum
beaufschlagen kann oder, alternativ dazu, die Druckkassette mit Druck
beaufschlagen kann. Die Servicestation umfaßt eine verformbare Schale 42,
die die Düsen
in Eingriff nimmt und gegen dieselben abdichtet. Bei einem Ausführungsbeispiel
ist die Schale durch ein Ventil 45 mit einer Vakuumquelle 44 verbunden.
Die Servicestation arbeitet, indem sie die Druckkassette 14 über die
Schale 42 leitet, wo die Düsen mit einem Vakuum beaufschlagt
werden und die Tinte durch die Düsen
und aus der Druckkassette herausgesaugt wird.
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Die Druckkassette 14 der 1 ist in 2 und 3 in
zwei auseinandergezogenen Ansichten gezeigt. Die Druckkassette umfaßt eine
obere Platte 47, die aus zwei zusammenhängenden, überlappenden, flachen Paneelen 50, 50' gebildet ist.
Die Paneele bilden einen inneren Hohldurchgang 54 für die Tinte
in der oberen Platte. Der Durchgang nimmt eine Einlaßröhre 48 auf,
endet an einer Öffnung 49, 5, und verteilt Tinte in
die Druckkassette. Das obere Paneel 50 der oberen Platte
enthält
einen kleinen Entlüfter 53,
der mit der Atmosphäre
kommuniziert. Das untere Paneel 50' enthält eine kreisförmige Öffnung 51 eines
wesentlich größeren Durchmessers.
Zwischen den Paneelen 50, 50' ist eine Membran 52 angeordnet
und abgedichtet, die eine fluiddichte Abdichtung über die
kreisförmige Öffnung 51 bildet, 5. Der periphere Rand der
Membran 52 ist dadurch sowohl gegen Luft als auch gegen
Tinte abgedichtet. Die Membran kann entweder aus dünnem Polyethylenkunststoff
oder Polyvinylidenfluorid hergestellt sein, so daß die Membran
sowohl luft- als auch tintenundurchlässig ist. Die Membran ist verformbar
und flexibel und kann nachgiebig sein, muß aber nicht. Wenn sich über die
Oberfläche
der Membran eine Druckdifferenz entwickelt, dehnt sich die Membran
in die Druckkassette aus, wie in 4–6 veranschaulicht ist. Die
Oberseite der Membran ist durch den Entlüfter 53 kontinuierlich
atmosphärischem
Druck ausgesetzt.
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Unter Bezugnahme auf 2 und 5 gibt
das Bezugszeichen 60 allgemein einen Druckregler an, der
die Membran 52 trägt
und den Druck von Tinte, die in den Druckkopf 14 geliefert
wird, reguliert. Der Druckregler umfaßt einen Hebel 62,
der sich um eine Achse 64 dreht, die durch zwei Träger 66 getragen wird.
Die Träger
sind auf der Unterseite des unteren Paneels 50' der oberen
Platte 47 angebracht. Der Hebel umfaßt ferner einen integrierten
Arm 68, der einen Ventilsitz 70 für die Tintenöffnung 49 enthält. Der Ventilsitz
ist eine abgeflachte, planare Oberfläche aus bei Raumtemperatur
vulkanisierendem Silikon (RTV-Silikon, RTV = room temperature vulcanizing) und
ist in die Oberfläche
des integrierten Arms 68 versenkt. Der Hebel ist ausgerichtet,
so daß,
wenn der Hebel 62 parallel zu der Ebene der oberen Platte 47 ist,
der Ventilsitz 70 sitzt, und die Tintenöffnung 49 dadurch
geschlossen ist, wie in 4 veranschaulicht
ist.
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Der Hebel 62, 2, nimmt die Membran 52 mit
einem Kolben 75 und einer Akkumulatorfeder 74 in
Eingriff. Die Akkumulatorfeder 74 ist in einer kreisförmigen Vertiefung 72 in
dem Hebel angebracht, so daß sich
die Feder nicht von dem Hebel 62 herunterbewegt. Der Kolben
ist an der Feder 74 befestigt und wird durch eine periphere,
konkave Ineingriffnahmeoberfläche 76 in
seiner Position gehalten. Unter Bezugnahme auf 4, 5 und 6 ist die Akkumulatorfeder 74 so
entworfen, daß ein
Differenzdruck über
die Membran 52 bewirken kann, daß sich die Membran durchbiegt
und daß sich
der Kolben 75 reziprok nach oben und unten bewegt, ohne
den Hebel 62 zu bewegen und das Tinteneinlaßventil 49, 70 zu öffnen. Bei 4 ist die Membran 52 leicht
nach unten zusammengezogen oder weist eine eher konkave Gestalt auf.
Bei 6 ist die Membran
etwas nach oben zusammengezogen oder weist eine planarere Gestalt auf.
Die veranschaulichte Bewegung zeigt, wie sich ein Abschnitt der
Wand des Tintenbehältnisses
bewegt und etwaige vorhandene Luftblasen zu dem Luftsammel bereich 98 der
Druckkassette hindrückt. Dies
ist ein wichtiger Aspekt des Umgangs mit Luft in der Druckkassette.
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Bei 5 öffnet sich
das Tintenventil 49, 70, wenn der Kolben 75 durch
die Membran ausreichend nach unten gepreßt wird, um an dem Hebel 62 seinen tiefsten
Punkt zu erreichen und mechanisch dessen Bewegung zu bewirken. Der
Hebel 62 wird durch eine Druckeinstellfeder 78 in
der Druckkassette 14 getragen. Die Druckeinstellfeder 78 ist
so entworfen, daß ihre
Kraft auf den Hebel 62 gleich der Öffnungskraft oder Rißbildungskraft
auf das Tintenventil 49, 70 ist. Der dadurch entwickelte
Druck ist P0 oder der Rißbildungsdruck
des Reglers. Die Kraft der Druckeinstellfeder wird so eingestellt,
daß sie
gleich dem Bereich der Membran 52 ist, der nicht durch
die Öffnung 51 abgedeckt
ist, 2, multipliziert
mit der Druckdifferenz zwischen dem atmosphärischen Druck und dem Druck
der Tinte, die an den Druckkopf 86 geliefert wird, 5. In der Regel beträgt dieser Differenzdruck
ungefähr
minus drei Zoll (–3'') Wasser. Die Druckeinstellfeder 78 ist
ferner vorgespannt, so daß die
auf den Hebel 62 einwirkende Kraft über die zurückgelegte Strecke des Hebels
hinweg im wesentlichen konstant ist. Eine derartige konstante Federkraft
bewirkt, daß die
Bewegung des Hebels für jegliche
gegebene Änderung
des Rißbildungsdruckes
groß ist.
Mit anderen Worten bewirkt eine kleine Druckänderung eine große Bewegung
des Hebels. Das Nettoergebnis besteht darin, daß sich das Ventil zu seinem
Vollflußzustand öffnet, wenn
der Ventilsitz 70 durch eine Entfernung, die gleich oder ähnlich dem
Radius der Düse 49 ist,
von der Ventildüse 49 herunterbewegt
wird.
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Unter Bezugnahme auf 3 umfaßt die Druckkassette 14 ferner
ein Gehäuse 82,
das die obere Platte 47 in einer Stufe 83, die
in dem Ende der Seitenwände
des Gehäuses
gebildet ist, aufnimmt. Das Gehäuse
und die obere Platte bilden zusammen das Tintenbehältnis für den Druckkopf 86.
Das Tintenbehältnis
umfaßt
eine Haupttintenkammer 85 und ein Plenum 91, nachfolgend
beschrieben. Das Tintenbehältnis sowie
die Leitung 34, 1,
und das Tintenreservoir 30 sind aus Materialien hergestellt, die
sowohl für
Luft als auch Tinte undurchlässig
sind, beispielsweise Polysulphon, Polyvinylidenfluorid und Flüssigkristallpolymere.
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In der unteren Wand des Gehäuses 82 befinden
sich eine Mehrzahl von Tintenzufuhrschlitzen 84, die ermöglichen,
daß die
Tinte zu dem Druckkopf 86 fließt. Der Druckkopf ist ein Halbleitersubstrat,
auf dem die Abfeuerungskammern, die Abfeuerungswiderstände und
die Öffnungsplatte
auf herkömmliche Weise
plaziert sind. Der Druckkopf ist durch ein Verbinden von Kontaktnasen
auf einem flexiblen Leiter 87 angebracht, und elektrische
Signale an die Abfeuerungswiderstände werden durch die Leiter 88 eingerichtet, 1 und 3. Wenn der Druckkopf Tintentropfen ausstößt, pumpt
er eigentlich die Tinte aus der Druckkassette heraus, und der Druckregler 60 bemüht sich,
einen Druck P0 zu entwickeln und aufrechtzuerhalten. In dem Plenum
liegt aufgrund von durch einen Fluß induzierten Druckabfällen ein
niedrigerer Druck P1 vor (etwas negativer als P0).
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Die Druckkassette 14 ist
entworfen, um jegliche in der Kassette vorhandene Luft einzuschließen und
in dem Bereich 98 zu lagern. Luft und Luftblasen steigen
vertikal zu dem oberen Ende der Druckkassette zu dem vorbestimmten
Bereich 98 auf. Luft wird somit an einem abseits gelegenen
Ort gespeichert, so daß Luft
und Luftblasen den Tintenfluß während des
Druckens nicht stören.
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Unter Bezugnahme auf 3 gibt Bezugszeichen 90 allgemein
eine Beladungsanordnung zum Entfernen von Luft aus dem Inneren der
Druckkassette 14 an. Die Beladungsanordnung umfaßt vier Seitenwände 92 und
eine obere Wand 93, die ein Plenum 91 um den Druckkopf 86 herum
bilden. Diese Wände
tragen ferner die Druckeinstellfeder 78 über der
unteren Wand des Gehäuses 82.
Die obere Wand 93 umfaßt
zwei Leitungen, die beide mit dem Plenum 91 kommunizieren.
Eine Leitung umfaßt
eine Flußöffnung 94 und
kommuniziert zwischen der Haupttintenkammer 85 und dem
Plenum 91. Die andere Leitung ist ein Schnorchel 95 mit
einem Einlaß 96,
der das Plenum 91 mit einem Bereich 98 in der Druckkassette,
in dem Luft gesammelt wird, verbindet. Die Flußöffnung 94 ist so bemessen,
daß die
Tinte während
aller Druckvorgänge
durch die Öffnung 94 und
nicht durch den Schnorchel 95 zu dem Druckkopf 86 fließt. Die Öffnung ist
so bemessen, daß, wenn
bei einem maximalen Tintenfluß gedruckt
wird, die Öffnung
durch dieselbe einen Druckabfall aufweist, der geringer ist als
die Höhe
L des Schnorchels 95. Bei einem tatsächlich aufgebauten Ausführungsbeispiel
wies die Flußöffnung 94 einen
Durchmesser von vierzig Millizoll (0,040'')
auf, und der Schnorchel 95 wies einen Innendurchmesser
von achtzig Millizoll (0,080'') auf.
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Die Beladungsanordnung 90, 7, umfaßt ferner die oben beschriebene
Servicestation 40, die den Druckkopf 86 in Eingriff
nehmen und abdichten kann. Die Servicestation entwickelt einen Differenzdruck
P2 – P0
um das Plenum herum und zieht Tinte bei einer viel höheren Flußrate als
während
jedes Druckvorgangs durch den Druckkopf 86 heraus. Die Flußöffnung 94 ist
so bemessen, daß sich
bei dieser Bedingung des hohen Tintenflusses ein derart großer Druckabfall über die
Flußöffnung 94 entwickelt,
daß die
Tinte und Luft in dem oberen Bereich 98 der Druckkassette
in dem Schnorchel 95 nach unten und aus dem Druckkopf 86 herausgezogen
werden, wie in 7 veranschaulicht
ist.
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Im Betrieb werden das Tintenreservoir 30, 1, und die Druckkassette 14 anfänglich mit
Tinte gefüllt
und abgedichtet. Die Tintenleitung 34 kann mit Tinte gefüllt sein,
muß aber
nicht. Zu Anfang wird das Tintenreservoir 30 durch das
doppeltwirkende Ventil 36 mit der Tintenleitung 34 verbunden.
Wenn der Drucker 12, 1,
der Druckkassette 14 befiehlt, ein Ausstoßen von
Tropfen 16 zu beginnen, 1,
fließt Tinte
durch die Leitung 34, und etwaige Luft in der Leitung strömt in die
Tintenkassette und wird in dem oberen Bereich 98 des Gehäuses eingeschlossen. Wie
in 4 veranschaulicht
ist, weist die Druckkassette an diesem Punkt eine leichte Luftblase 98 in dem
oberen Bereich des Gehäuses
auf, wird die Tintenöffnung 49 durch
den Hebel 62 geschlossen, ist die Membran 52 leicht
konkav, und verläuft
jeglicher Tintenfluß zu
dem Druckkopf 8b durch die Flußöffnung 94.
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Während
der Druckkopf 86, 5,
weiterhin auf Befehl Tintentropfen aus dem Drucker ausstößt, beginnt
der Druck der Tinte in der Druckkassette 14, abzufallen.
Der Differenzdruck über
das Plenum 91 wird negativer. Die Membran 52 wird
aufgrund des Differenzdrucks zwischen dem atmosphärischen Druck
in dem Entlüfter 53 und
dem Druck in der Haupttintenkammer 85 konkaver. Dieser
Druckabfall setzt sich fort, bis der Kolben 75, 5, an dem Hebel 62 seinen
tiefsten Punkt erreicht, und anschließend zwingt die Membran den
Piston, den Hebel zu bewegen und die Öffnung 49 zu öffnen, wie
in 5 veranschaulicht
ist. Dies ist eine Drehbewegung des Hebels 62 um die Achse 64, 5. Der Punkt, an dem sich
die Öffnung 49 öffnet, ist
der „Rißbildungsdruck" und wird durch die
Druckeinstellfeder 78 bestimmt. Dann fließt Tinte
in die Druckkassette 14, der Druck in der Druckkassette
wird wiederhergestellt, und etwaige Luft wird in dem Bereich 98 gesammelt. Wenn
der Differenzdruck über
die Membran 52 aufgrund des Einströmens der Tinte abnimmt, ermöglicht der
Kolben 75 dem Hebel, die Öffnung 49 zu schließen, und
der Tintenfluß in
die Druckkassette hört
auf.
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Bei dem unmittelbar zuvor beschriebenen Vorgang
verläuft
der Tintenflußweg
durch die Druckkassette zuerst in den Einlaß 48 der oberen Platte 47, 2, durch den Durchgang 54, 2, aus der Öffnung 49 heraus, 5, in die Haupttintenkammer 85, durch
die Flußöffnung 94,
in das Plenum 91, und aus dem Druckkopf 86 heraus.
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Falls die Temperatur der Druckkassette
beispielsweise aufgrund eines Betriebs des Druckkopfes zunimmt,
könnte dies
entweder bewirken, daß der Druck
der Luft in dem Gehäuse 82 ansteigt,
oder daß das
Volumen der Luft zunimmt. Wie oben erläutert wurde, bewegt sich ein
Wandabschnitt des Tintenbehältnisses,
um diesen Temperaturzuwachs zu berücksichtigen. Die Membran 52 biegt
sich nach oben durch, wie in 6 veranschaulicht
ist, und wird planarer, um den Druck in dem Gehäuse konstantzuhalten. Falls
ein Temperaturabfall vorliegt, biegt sich die Membran nach unten
durch und wird konkaver, um den Druck konstantzuhalten. Dies ist
eine relative Bewegung zwischen dem Kolben 75 und dem Hebel 62 und
wird durch die Akkumulatorfeder 74 ermöglicht. Der Hebel 62 bleibt
ortsfest und wird durch derartige Temperaturverschiebungen nicht
beeinflußt.
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Um in dem oberen Bereich 98 der
Druckkassette 14 eingeschlossene Luft zu entfernen, wird
die Druckkassette unter Verwendung der Servicestation 40 gereinigt.
Unter Bezugnahme auf 7 und 8 wird eine Vakuumquelle 44 an
die Düsen
des Druckkopfes 86 angelegt, entwickelt sich ein Druck
P2 in dem Plenum 91, und wird eine sehr hohe Tintenflußrate durch
die Druckkassette induziert. Etwaige in der Druckkassette vorhandene
Luft wird, statt durch die Flußöffnung 94,
in dem Schnorchel 95 nach unten gezogen, wie in 7 veranschaulicht ist, und
zwar aufgrund der kleinen Größe der Flußöffnung und
des großen
Druckabfalls über
dieselbe. Die Menge an in dem Schnorchel nach unten und aus dem
Gehäuse herausgezogener
Luft wird durch ein Flüssigtintenvolumen
ersetzt, da der Differenzdruck in dem Gehäuse abfällt und sich die Öffnung 49 öffnet, wie
in 8 veranschaulicht
ist. Das Ergebnis besteht darin, die Druckkassette schnell mit Tinte
zu beladen und die Luft aus dem System zu entfernen.
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Bei dem unmittelbar zuvor beschriebenen Vorgang
verläuft
der Flußweg
von Luft und Tinte von dem vorbestimmten Luftsammelbereich 98 durch den
Einlaß 96,
in dem Schnorchel 95 nach unten, in das Plenum 91,
aus dem Druckkopf 86 heraus und in die Servicestation 40.
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Es wird betrachtet, daß, während es
eine Vielzahl von Möglichkeiten
gibt, Luft unter Verwendung einer Vakuumquelle aus dem System zu
entfernen, auch darauf geachtet werden sollte, die während des
Luftentfernungsvorgangs entfernte Tintenmenge zu minimieren. Jegliche
auf diese Weise zuviel entfernte Tinte ist Tinte, die nicht zum
Drucken zur Verfügung
steht, und jegliche auf diese Weise entfernte Tinte muß nun selbst
gelagert werden. Um das Entfernen von Tinte während des Entfernens von Luft
zu minimieren, kann ein Kolben an die Düsen angelegt werden, um lediglich
ein vorbestimmtes Volumen der Druckkassette nach unten zu ziehen.
Dies würde
das aus der Druckkassette entfernte Volumen an Tinte und Luft automatisch
begrenzen. Als Alternative könnte
die Vakuumquelle entweder mit einem Nocken oder Takt zeitlich gesteuert
werden, um das Anlegen von Vakuum an die Düsen zu begrenzen.
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Man sollte erkennen, daß eine erste
Leitung, der Schnorchel 95, 4,
vorliegt, die mit dem vorbestimmten Sammelbereich 98 für Luft kommuniziert,
und daß eine
zweite Leitung vorliegt, die die Flußöffnung 94 enthält, die
zwischen der Haupttintenkammer 85 und dem Plenum 91 kommuniziert. Wenn
sich ein Differenzdruck P1 – P0
durch den Druckregler 60 und den Druckkopf 86 über das
Plenum entwickelt, wird Tinte durch den Tintenflußweg in
der Druckkassette, die die zweite Leitung umfaßt, geleitet. Wenn sich durch
die Servicestation 40, 7,
ein Differenzdruck P2 – P0 über das
Plenum entwickelt, wird Luft aus dem Sammelbereich durch die erste
Leitung aus der Druckkassette entfernt. Durch ein selektives lindern
des Differenzdrucks über das
Plenum 91 zwischen P1 – P0
und P2 – P0
wird der Fluidfluß in
der Druckkassette selektiv zwischen der ersten und der zweiten Leitung
verschoben.
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Unter Bezugnahme auf 9 gibt das Bezugszeichen 14' allgemein ein
alternatives Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung an. Die Leitung, die mit dem vorbestimmten Luftsammelbereich 98 kommuniziert,
ist eine Leitung 102, die durch eine Wand der Haupttintenkammer 85 verläuft. Diese
Leitung enthält
ein Rückschlagventil 104 oder „Entenschnabel"-Ventil, das das
Eintreten von Luft in die Druckkassette verhindert. Diese Leitung
ist ferner mit einer Vakuumquelle 44' zum Abziehen der Luft aus dem
Luftsammelbereich verbindbar.
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Unter Bezugnahme auf 10 ist bei einem zweiten alternativen
Ausführungsbeispiel
eine Druckbeaufschlagungseinheit 101 mit dem Entlüfter 53 der Druckkassette
gekoppelt. Eine zweite verformbare Schale 103 ist an die
Druckkassette angelegt, und eine Druckquelle 105 ist durch
ein Ventil 107 auf den Entlüfter 53 gerichtet.
Dieser Überdruck
wird an die „Referenz"-Seite der Membran 52 angelegt,
die sich ansprechenderweise in die Druckkassette ausdehnt, wie in 10 gezeigt ist. Der Kolben 75 wird
gegen die Druckeinstellfeder 78 gepreßt und berührt den Regler 60.
Da der durch die Druckquelle 105 erzeugte Druck, P3, größer ist
als der Rißbildungsdruck,
P0, der Druckeinstellfeder 78, dreht sich der Hebel 62 des
Reglers um die Achse 64 und trennt den Ventilsitz 70 von
der Tintenöffnung 49.
Tinte fließt
in die Druckkassette, und der Druck im Inneren der Druckkassette
wird auf einen Druck P3 erhöht,
der ausreichend ist, um Tinte und eingeschlossene Luft in der Druckkassette
aus den Düsen
und in die Servicestationsschale 42 zu pressen.
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Um zu verhindern, daß in einer
oder mehreren Düsen
oder den Tintenkanälen,
die zu den Düsen führen (wodurch
die Düsen
entladen werden und was zu ihrer Unfähigkeit, beim Drucken Tinte
auszustoßen,
führt),
Luft verbleibt, ist der Druckkopf mit zusätzlichen nicht-emittierenden
Düsen ausgestattet, die
eine größere Öffnung aufweisen
als die Tintenausstoßdüsen. Beispielsweise
kann die Öffnung nicht-emittierender Düsen einen
Durchmesser aufweisen, der zweimal so groß ist wie der einer Öffnung einer
emittierenden Düse.
Bei dem Ausführungsbeispiel,
das Vakuum zum Beseiti gen von gefangener Luft verwendet, müßte der
Düsendruck
der nicht-emittierenden Düsen
niedriger (näher
an Null) sein als der der Tintenausstoßdüsen. Andernfalls würde fast
die gesamte Luft die Tintenausstoßdüsen-Ströme durch die nicht-emittierenden Düsen entladen,
wodurch die Möglichkeit,
daß Tintenausstoßdüsen entladen
würden,
verringert würde.
Die nicht-emittierenden Düsen
würden
letztlich als Rückschlagventil
dienen, wobei sie das Innere der Tintenstrahlkassette von Umgebungsluft
getrennt hielten. Während
es wünschenswert
ist, die nicht-emittierenden Düsen
in dem Druckkopf zu haben, ist es eine durchführbare Alternative, die nicht-emittierenden Düsen in dem
Körper
der Druckkassette in der Nähe des
Druckkopfes und in einer derartigen Position zu erzeugen, daß die Servicestationsschale 42 die nicht-emittierenden Düsen 109 umfaßt, wie
in 11 und 13 veranschaulicht ist.
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Bei einer weiteren Implementierung
ist das Plenum 91 angeordnet, um lediglich die nicht-emittierenden
Düsen abzudecken
(ob sie sich nun an dem Druckkopf oder in der Nähe desselben befinden). Bei dieser
Implementierung wird lediglich Tinte durch die Druckdüsen extrahiert
(über die
Pumpe 44 und die Schale 42; oder alternativ anhand
eines Anlegens von Luftdruck an den Entlüfter 53, wobei das
Reglerventil geöffnet
wird). Eine derartige Implementierung ist in 12 gezeigt, wo das Plenum 91 eine
kleine Öffnung 113 enthält (die
bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
einen Öffnungsdurchmesser
von 0,040 Zoll aufweist), um Fluidspitzen auszugleichen, wenn die
Druckkassette gerade nicht geladen wird, und um die nicht-emittierenden
Düsen 115, 117 naß zu halten,
damit sie als Rückschlagventil
agieren. Der Schnorchel 95 ist mit dem Plenum 91 gekoppelt,
wie zuvor beschrieben wurde.
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Im normalen Druckbetrieb werden die
emittierenden Düsen
wie befohlen abgefeuert, jedoch sind der Schnorchel 95 und
das Plenum 91 nicht daran beteiligt, und die nicht-emittierenden Düsen 115, 117 sind
voller Tinte, und ihr Kapillardruck verhindert, daß Luft in
den Kassettenkörper
zurückgesaugt
wird. Während
des Ladens deckt die Schale 42 beide Düsensätze ab, und ein Vakuum wird
angelegt (oder alternativ dazu wird ein Druck an 53 angelegt,
wobei das Reglerventil geöffnet
und die Stiftkammer 85 mit Druck beaufschlagt wird). Jegliche
Luft, die durch den Schnorchel 95 erreichbar ist, wird
rasch entfernt und durch Tinte ersetzt. Bevor die normalen Düsen Zugriff
auf Luft haben, füllt
sich der Stift erneut mit Tinte.
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13 veranschaulicht
die Verwendung der Technik des isolierten Plenums, gemäß 12, wie sie auf die auf
dem Druckkopf angeordneten nicht-emittierenden Düsen angewandt wird. Eine Öffnung 119 koppelt
das Plenum 91 mit den nicht-emittierenden Düsen (nicht gezeigt) des Druckkopfes 86. Wiederum
wird, wenn ein Vakuum angelegt wird (oder ein Druck ausgeübt wird)
Luft mittels der nicht-emittierenden Düsen und des Schnorchels und nicht
mittels der emittierenden Düsen
entfernt.
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Obwohl spezifische Ausführungsbeispiele der
Erfindung beschrieben und veranschaulicht wurden, soll die Erfindung
nicht auf die spezifischen Formen oder die spezifische Anordnung
von Teilen, wie sie hierin beschrieben und veranschaulicht sind
bzw. ist, beschränkt
sein. Die Erfindung wird lediglich durch die Patentansprüche beschränkt.