DE69027198T2

DE69027198T2 - Verbesserte vorrichtung zur tintenversorgung und druckverfahren beim tintenstrahldrucken auf anforderung

Info

Publication number: DE69027198T2
Application number: DE69027198T
Authority: DE
Inventors: Brian Morris
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 1989-08-25
Filing date: 1990-08-22
Publication date: 1996-12-19
Anticipated expiration: 2010-08-23
Also published as: EP0440785A1; CA2035867A1; JPH04501392A; US4929969A; EP0440785B1; CA2035867C; WO1991002652A1; DE69027198D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Tintenstrahtdruckeinrtchtungen des Drop-on- demand-Typs und genauer gesagt auf verbesserte Tintenbevorratungskonstruktionen für derartige Eimichtungen.
Bei Drop-on-demand-Tintenstrahldruckern werden einzelne Tropfen durch bedarfsgesteuerte Betätigung eines Wandlers, bei dem es sich in den meisten Fällen entweder um einen elektromechanischen Wandter (wie bei piezoelektrischen Druckern verwendet) oder einen elektrothermischen Wandler (wie bei Bubble-Tintenstrahldruckern verwendet) handelt, aus einer Öffnung ausgestoßen. Bei beiden Verfähren ist ein zuverlässiges Umschließen der Tinte und Nachfüllen des Tropfenausstoßbereichs nach dem Ausstoßen eines Tropfens durch die Öffnung erforderlich. Nachfülltinte kann aus einem einstückig mit dem Druckkopf ausgebildeten Reservoir (bei "Druckpatronenausführungen") oder über eine Versorgungsleitung aus einem entfernten Reservoir zugeführt werden. Normalerweise wird zum Nachfüllen des Tropfenausstoßbereichs eine Kombination aus Tintenzuführung über Kapillarkräfte und über hydraulisch übertragenen atmosphärischen Luftdruck verwendet. Bei einigen Systemen auf dem Stand der Technik werden anstelle oder als Ergänzung des üblichen Verfahrens zusätzliche Mittel, z.B. Überdruckquellen oder Gravitationskräfte, die über eine hydrostatische Druckhöhe wirken, eingesetzt. Derartige zusätzliche Mittel sind jedoch hinderlich, insbesondere bei Druckpatronenausführungen, bei denen kornpakte, einsetzbare Einheiten erwünscht sind. Daher ist das Zuführen von Nachfülltinte durch Kapillarwirkung und Übertragung des atmosphärischen Luftdrucks äußerst attraktiv; US-A-4,095,237 und 4,329,698 enthalten Beispiele für Drop-on-demand-Tintenstrahldruckpatronen, bei denen dieses Verfahren angewandt wird.
Wie in US-A-4,509,062 und 4,630,758 beschrieben ist es häufig wünschenswert, daß der Tintenbevorratungsbereich einem geringen, relativ konstanten Unterdruck (oder Gegendruck) ausgesetzt ist. Dieser Gegendruck verhindert, daß Tinte aus den Öffnungen ausläuft oder leicht von diesen weggeschüttelt wird, er sollte jedoch nicht so stark sein, daß ein ausreichendes Nachfüllen des Tropfenausstoßbereichs mit Tinte verhindert wird. Um einen kontrollierten Gegendruck zu erreichen, wird im '062-Patent ein Blasenreservoir vorgeschlagen, das beim Kollabieren eine im wesentlichen konstante Federkraft zeigt. Im '758-Patent wird vorgeschlagen, das Reservoir mit einem schaumstoffartigen Material zu füllen, das einen kontrollierten kapillaren Gegendruck ausübt. US-A-3,967,286; 4,095,237 und 4,771,295 weisen ebenfalls darauf hin, daß die Verwendung eines kapillaren Schaumstoffs innerhalb des Tintenreservoirs wünschenswert wäre, um das Eindringen von Luft in den Tintenzuführweg zum Druckkopf zu verhindern.
Diese Verfahren auf dem Stand der Technik sind jedoch durch gewisse Nachteile gekennzeichnet. Zum Beispiel wird, wie in US-A-4,794,409 bemerkt, das Reservoirspeichervolumen bei den Ausführungen mit der elastischen Blase und dem Schaumstoffreservoir nicht effizient genutzt (im Hinblick auf die Maximierung des Prozentsatzes an Reservoir-Innenvolumen, das für druckbare Tinte zur Verfügung steht). Außerdem wird darauf hingewiesen, daß es bei beiden Ausführungsarten auf dem Stand der Technik schwierig ist, den Gegendruck konstant zu halten, und daß der speziell vorbereitete "geschnittene und gereinigte" Schaumstoff der '295-Einrichtung erhebliche zusätzliche Kosten verursacht.
US-A-4,771,295 offenbart einen Tintenstrahldruckkopf mit einem Tintenspeicherschaumstoff, vorzugsweise einem netzartig geformten Polyurethanschaumstoff US-A-4,540,7 17 offenbart einen elastischen Schaumstoff, der auf einem Melamin-Formaldehyd-Kondensat basiert, das vor allem zur Wärme- und Schalldämmung in der Bauindustrie eingesetzt wird.
Es ist also ein wichtiges Ziel der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Tintenreservoirkonstruktion für Drop-on-demand-Tintenstrahldrucksysteme bereitzustellen, durch die die oben genannten Probleme der Einrichtungen auf dem Stand der Technik erheblich reduziert werden. Ein äußerst nützlicher Vorteil der Tintenreservoirs gemaß der vorliegenden Erfindung ist ihre erhöhte Wirksamkeit hinsichtlich der Maximierung des Teils ihres Volumens, das zuführbare Tinte enthält.
Ein weiterer Vorteil von Tintenreservoirs gemäß der vorliegenden Erfindung ist, daß sie schaumstoffartige Strukturen mit Porengrößen enthalten, die sehr viel gleichfürmiger als die herkömmlicher Schaumstoffe sind. Da der zum Abziehen von Tinte aus dem Schaumstoff erforderliche Druck umgekehrt proportional zur Porengröße ist, führt eine gleichförmigere Porengröße zu einer sehr viel gleichmäßigeren Tintenabgabe. Umgekehrt sind bei stark varlierender Porengröße einige der Poren so klein, daß das Abziehen der darin enthaltenen Tinte sehr schwierig ist, während andere Poren so groß sind, daß sie Tinte bereits bei sehr geringem Druck abgeben. Diese Schwankungen, die im ersten Fall zu erner schlechten Ausnutzung des Tintenspeichervolumens und im zweiten Fall zu einem "Auslaufen" von Tinte aus dem Druckmechanismus führen, werden durch die vorliegende Erfindung erheblich reduziert.
Ein weiterer Vorteil bevorzugter Ausführungen gen der vorliegenden Erfindung ist, daß ihr Schaumstoff sehr viel stärker chemisch inert ist als der Schaumstoff auf dem Stand der Technik. Schaumstoffe auf dem Stand der Technik, wie zum Beispiel Polyurethanschaumstoff quellen auf, wenn sie in Wasser oder Glykol eingetaucht werden. Darüber hinaus neigen sie dazu, wahlweise Penetrationsverstärker, Farbbestandteile und andere Tintenbestandteile aus der Tinte zu extrahieren, so daß die Tintenmischungen an die gewünschte Druckmischung angeglichen werden müssen, um extrahierte Bestandteile auszugleichen. Durch die stärker inerten Materialien der vorliegenden Erfindung werden diese Probleme erheblich reduziert. Ein weiterer Vorteil der gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführten Reservoirs ist, daß ihre schaumstoffartigen Materialien sehr viel leichter mit Tinte gesättigt werden können als die bisher verwendeten Materialien. Bei Schaumstoffen auf dem Stand der Technik wird Hochvakuum benutzt, um die Tinte in die dickwandigen Bläschen des Schaumstoffs zu zwingen. Die vorteilhafte Konfiguration untereinander verbundener feiner Fasern der Schaumstoffe gemäß der vorliegenden Erfindung behindert das Eindringen von Tinte nicht, so daß das Füllen eines aus derartigen Schaumstoffen hergestellten Reservoirs zu einer sehr viel einfacheren Aufgabe im Herstellungsprozeß wird.
Ein weiterer Vorteil bevorzugter Ausführungen der vorliegenden Erfindung ist, daß die verwendeten Schaumstoffe wasseranziehend sind, im Gegensatz zu den bisher verwendeten wasserabstoßenden Schaumstoffen, die Tintenmischungen auf Wasserbasis abstoßen und den Reservoirfüllvorgang unmöglich machen.
Ein weiterer erheblicher Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Schaumstoffs, der sehr viel weniger Vorbehandlung (z.B. Verbrennen von Zellwänden und Reinigen) vor dem Einbau in das Tintenreservoir erfordert.
Bei der bevorzugten Ausführung besteht die vorliegende Erfindung aus einer verbesserten Tintenreservoirkonstruktion für Drop-on-demand-Tintenstrahldrucksysteme mit einem Druckkopf, welcher Tropfenausstoßöffnungen, zugeordnete Tropfenausstoßwandler und Leitungsmittel zum Zuführen von Tinte zu den nahe den Wandlern befindlichen Tropfenausstoßbereichen aufweist. Das Tintenreservoir weist ein einen Tintenspeicher bildendes Gehäuse mit einer Entlüftungsöffnung und einer mit dem Druckkopf-Leitungsmittel in Flüssigkeitsverbindung stehenden Tintenaustrittsöffhung auf. Eine Masse eines vorgegebenen schaumstoffartigen Materials füllt im wesentlichen einen Großteil des Gehäuses und bedeckt die Tintenaustrittsöffnung. Bei dem vorgegebenen Schaumstoff handelt es sich um ein dreidimensional verzweigtes Netzwerk untereinander verbundener sehr feiner Fasern, die ein großes, aus relativ gleichgroßen interstitiellen Poren bestehendes freies Volumen bilden. Bei einer bevorzugten Ausführung ist der Schaumstoff von Natur aus netzartig, so daß ein rein skelettartiges Netzwerk gebildet wird, das keine Zellwände in den Netzwerkzwischenräumen enthält und in nichtkomprimiertem Zustand im wesentlichen isotrop ist.
Nach einem damit zusammenhängenden Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum drop-on-demand Tintenstrahldrucken mit den folgenden Schritten dar: (i) wahlweises Ausstoßen von Tintentropfen aus einem Tropfenausstoßbereich(en) durch die dem (den) Tropfenausstoßbereich(en) zugeordnete(n) Öffnung(en); (ii) Zuführen von Tinte durch Leitungsmittel zu dem (den) Tropfenausstoßbereich(en) über Kapillarkräfte, um bereits ausgestoßene Tropfen zu ersetzen; und (iii) Versorgen des (der) Leitungsmittel(s) mit Tinte aus der Schaumstoffstruktur, die aus einer Masse mit geringer Dichte und gegenseitig verbundenen, dreidimensional verzweigten Fasern besteht, die untereinander verbunden sind und ein großes freies Volumen aus gleichgroßen interstitiellen Poren bilden. Ein besonders bevorzugter Schaumstoff ist ein von Natur aus netzartiger Melamin-Formaldehyd-Kondensat- Schaumstoff
Die Erfindung wird im folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine Perspektivansicht einer bevorzugten Tintenstrahl-Druckpatronenkonstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine auseinandergezogene Darstellung von Abschnitten der Druckpatrone in Fig. 1;
Fig. 3 einen schematischen Querschnitt einer anderen bevorzugten Tintenstrahl- Druckpatronenkonstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 eine Querschnittansicht eines Druckkopfelement-Aufbaus, der in der Ausführung in Fig. 3 eingesetzt werden kann;
Fig. 5 eine schematische Ansicht, teilweise im Schnitt, die ein anderes bevorzugtes Tintenstrahldrücksystem gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 6 eine Querschnittansicht einer anderen bevorzugten Druckpatronenkonstruution gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme eines bevorzugten Tintenreservoir- Schaumstoffs gemäß der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 8 eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme mit derselben Vergrößerung wie in Fig. 7, die einen Tintenreservoir-Schaumstoff auf dem Stand der Technik zeigt.
In Fig. 1 ist eine beispielhafte Ausführung einer Bubble-Tintenstrahldruckpatrone dargestellt, die die vorliegende Erfindung enthält. Die Druckpatrone 1 weist ein Tintenreservoirgehäuse mit den Seitenwänden 2, der Unterseite 3 und der Abdeckeinheit 4 auf. Die Abdeckeinheit kann ein Verschluß- und Rahmenelement 6 umfassen, das so bemessen ist, daß es um die Oberkanten der Wände 2 des Reservoirs und ein Flüssigkeitsblockelement 10 paßt, das wiederum so ausgeführt ist, daß es in den inneren Umfang des Rahmenelements 6 paßt.
Wie in Fig. 2 besser zu sehen ist, weist das Flüssigkeitsblockelement 10 eine Austrittsöffnung 13, die sich von seiner Außenfläche in das Tintenbevorratungsreservoir erstreckt, und eine in der Außenfläche ausgebildete "H"-förmige Aussparung 12 auf, die mit der Austrittsöffnung 13 verbunden ist. Der mittlere Abschnitt der Aussparung 12 leitet den Tintenstrom zu den einander gegenüberliegenden parallelen Abschnitten 12a, 12b der Aussparung.
Wie ebenfalls in Fig. 2 dargestellt, ist auf dem Flüssigkeitsblock 10 ein Tropfenausstoß-Chip 20 angebracht. Der Chip 20 weist ein dielektrisches Substrat 21 auf, das eine Vielzahl von Heizwiderstandelementen 22, Auswahlelektroden 23, Referenzelektroden 24 und Anschlußklemmen 25 trägt. Die Heizelemente und Elektroden können mit geeigneten Schutzschichten überzogen werden. Die Aussparung 12 ist relativ zum Chipsubstrat 21 so bemessen, daß der Großteil der Aussparung 12 durch die Unterseite des Substrats 21 bedeckt wird, wenn der Chip 20 auf dem Flüssigkeitsblockelement 10 angebracht ist. Ein Teil der einander gegenüberliegenden Aussparungsabschnitte 12a, 12b bleibt jedoch unbedeckt, um Tinte vom Reservoir zu den Kanten des Chips 20 fließen zu lassen.
Auf den Oberflächen des Chips und des Flüssigkeitsblocks ist eine Tintensperr- und - verteilschicht 30, z.B. ein Photopolymer, ausgebildet, um eine Tintensperrumrandung 31 zu bilden, die die offenen Aussparungsabschnitte 12a, 12b und die Heizwiderstandeiemente 22 des Chips umschließt. Eine Reihe von Leitwänden 32 erstrecken sich über die Oberfläche von Chip 20, zwischen den Aussparungen 12a, 12b, um die einzelnen Heizwiderstandelemente 22 zu trennen.
An der Sperr- und Verteilschicht 30 ist eine Blende 40 mit einer Vielzahl von Öffnungen 41 angebracht, die in einem dem Muster der Heizelemente 22 auf dem Chip 20 entsprechenden Muster ausgebildet sind. Die Öffnungen 41 sind so ausgerichtet, daß sie zwischen den Leitwänden 32 und direkt über den jeweiligen Heizelementen 22 angeordnet sind, so daß die durch die Aufheizung eines Widerstandselements bewirkte Tintenblasenbildung den Ausstoß von Tintentropfen durch die dem Widerstandselement zugeordnete Öffnung bewirkt.
Das zusammengesetzte Flüssigkeitsblockelement 10 wird im Raumen 6 befestigt, und für jeden der Klemmenabschnitte 25 auf dem Chip 20 sind jeweils elektrische Leiter 8 und Anschlußflächen 9 ausgebildet. Wenn eine Druckpatrone in einen Drucker eingesetzt wird, können die Anschlußflächen 9 mit den Druckersteuerkreisen verbunden werden, um die wahlweise Bestromung der Heizelemente 22 zu ermöglichen. Die Druckpatronenherstellung wird durch Befestigen der Abdeckeinheit 4, mit allen soeben beschriebenen auf ihr angebrachten Elementen, am Reservoirgehäuse 1 abgeschlossen, das einen Tintenvorrat enthält, der in einer geformten Masse eines gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung aufgebauten Schaumstoffs 50 enthalten ist. Die gemäß der vorliegenden Erfindung nützlichen und bevorzugten Merkmale von Tintenreservoirschaumstoffen werden nachfolgend detaillierter beschrieben; zunächst folgt jedoch eine kurze Beschreibung verschiedener anderer Konstruktionen von Tintenstrahldrucksystemen, bei denen derartige Schaumstoffe eingesetzt werden können.
In Fig. 3 ist also eine weitere Druckpatrone 60 dargestellt, die ein ein Tintenzuführreservoir bildendes Hauptgehäuse mit Oberseite, Unterseite und Seitenwänden 61, 62, 63 aufweist. Die Oberseite 61 umfaßt eine Entlüftungsöffnung 64 mit einer Tintenauslaufschutzfolie 65. Die Unterseite 62 umfäßt eine Tintenaustrittsöffnung 66, die ein Filterelement 67 enthalten kann und die das Leitungsmittel 68 der Druckpatrone 60 über Kapillarkräfte mit Tinte versorgt. Entsprechend der Darstellung erstreckt sich das Leitungsmittel über die Unterseite und an einer Seite des Hauptgehäuses nach oben zu einem Bubble-Tintenstrahldruckkopf-Element, das allgemein mit P.H. bezeichnet wird.
In Fig. 4 ist eine mögliche Bauform für den Druckkopf P.H. in Fig. 3 dargestellt. In Fig. 4 weist der Bubble-Tintenstrahldruckkopf 70 mit Kantenausstoß ein Basissubstrat 71 auf, das mit einer Wärmesteuerungsschicht 72 beschichtet ist. Eine gerillte Deckplatte 73 bildet eine Vielzahl von Tintenzührkanälen, die vom Tintenverteilreservoir 75 wegführen, das mit dem Leitungsmittel 68 des Gehäuses 60 (dargestellt in Fig. 3) verbunden ist. In Tintenstromrichtung vor den Öffnungen 79 und zwischen den Rillen der Deckplatte 73 und dem Substrat 71 sind eine Vielzahl wahlweise adressierbarer elektrothermischer Wandler angeordnet. Diese Wandler weisen jeweils einen diskreten Heizwiderstandabschnitt 76 und eine diskrete Adreßelektrode 77 auf. Eine gemeinsame Elektrode 78 kann mit der Kante jedes seiner Adreßelektrode gegenüberliegenden Heizelements verbunden werden. Sowohl über den Elektroden als auch über den Heizelementen ist eine Schutzschicht(en) 74 ausgebildet.
In Fig. 5 ist ein weiteres Tintenstrahldrucksystem dargestellt, in dem die vorliegende Erfindung eingesetzt werden kann. Bei dieser Ausführung ist ein Tintenreservoir 80 über eine Versorgungsleitung 88 mit der Verteilschicht 75' eines Bubble-Tintenstrahldruckkopfs 70' mit Seitenausstoß verbunden. Bei dieser Ausführung sind die mit der Ausführung in Fig. 4 vergleichbaren Druckkopfelemente durch entsprechende Zahlensymbole mit Strichindex gekeimzeichnet. Der Hauptunterschied bei dem Druckkopf in Fig. 5 liegt darin, daß die Deckplatte getrennte Elemente aufiveist, die zusammenwirken, um Seitenausstoßleüungen zu den Öffnungen 79' zu bilden. Bei Betätigung fließt Strom durch das Heizelement 76' zwischen der Adreßelektrode und der gemeinsamen Elektrode 72', 78', und Tinte wird aufgeheizt, um einen Tropfen durch die zugeordnete Öffnung der Platte 79' auszustoßen. Das entfernte Tintenreservoir 80 ist innerhalb des Druckerhauptrahrnens (nicht dargestellt) befestigt und umfaßt ein Gehäuse mit der Oberseite, Unterseite und den Seitenwänden 81, 82, 83. Die Oberseite umfaßt eine Entlüftungsöffnung 84 mit einer Flüssigkeitssperrfolie 85, und die Unterseite 82 umfaßt eine Austrittsöffnung 86, die mit der Versorgungsleitung 88 verbunden ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Masse eines vorgegebenen Schaumstoffs 50" so geformt, daß sie dem Inneren des entfernten Tintenreservoirs entspricht und die Versorgungsleitung 88 mit Tinte versorgt.
In Fig. 6 ist eine piezoelektrische Druckpatrone 90 mit einem der Vorrichtung in Fig. 3 ähnlichen Gehäuse dargestellt. Die Oberseite, Unterseite und Seitenwände 91, 92, 93 bilden also ein Reservoir, das eine Entlüftungsöfiiiung 94, einen Verschluß 95 sowie eine Tintenaustrittsöffnung 96 und ein Filter 97 wie die Ausführung in Fig. 3 aufweist. Bei dieser Ausführung führt das Leitungsmittel 98 zu einem piezoelektrischen Druckkopfelement, das Tropfenausstoßbereiche 99 aufweist, die jeweils ein elektrostriktives Element enthalten. Durch wahlweise Betatigung der Elemente 99 können Tintentropfen durch die entsprechenden Öffnungen 100 ausgestoßen werden. Wie bei den Ausführungen in Fig. 1, 3 und 5 enthält auch das Tintenreservoir in Fig. 6 eine geformte Schaumstoffmasse 50"', die, wie nun detaillierter beschrieben wird, gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist.
Fig. 7 zeigt eine Rasterelektronenikikroskop-Anfiiaume einer Materialstruktur, die, wie ich entdeckt habe, einzigartige Vorteile für den Einsatz in Tintenstrahldrucker- Bevorratungsreservoirs besitzt. Allgemein können diese erheblich verbesserten Tintenreservoirstrukturen so beschrieben werden, daß sie in nichtkomprimiertem Zustand ein im wesentlichen isotropes Netzwerk untereinander verbundener sehr feiner Fasern bilden, die ein großes, aus relativ gleichgroßen interstitiellen Poren bestehendes freies Volumen bilden. Das in Fig. 7 gezeigte bevorzugte Material ist ein Schaumstoff, der von Natur aus netzartig ist, so daß er keine Zellfenster aufweist. Das bedeutet, daß es sich bei dem Schaumstoff um ein rein skelettartiges, dreidimensional verzweigtes Netzwerk handelt, das ohne Zellmembran in den Netzwerkzwischenräumen gebildet wird. Im Gegensatz zu einer Masse nicht untereinander verbundener Fasern weisen die dreidimensional untereinander verbundenen skelettartigen Fasern von Schaumstoffen gemäß der vorliegenden Erfindung gleichförmige Zwischenräume zur Verbesserung der Tintenspeicherung und -zuführung auf und behalten diese bei. Im Gegensatz zu bisher verwendeten Schaumstoffen, die durch Brennverfahren netzartig geforrnt werden, weisen die Schaumstoffe gemäß der vorliegenden Erfindung ein erheblich größeres freies Volumen ohne abgeschlossene oder teilweise abgeschlossene Zwischenräume und Rückstände in Form verbrannter Zellwände auf Dadurch werden erhebliche Steigerungen in bezug auf die Tintenmenge erreicht, die in bestimmten Volumina der Schaumstoffe gemäß der vorliegenden Erfindung gespeichert und aus diesen abgegeben werden kann.
Im Vergleich zu Tintenreservoirschaumstoffen auf dem Stand der Technik (Fig. 8 zeigt ein Beispiel für ein "netzartig geformtes" Polyurethan) sind schaumstoffartige Materialien gemäß der vorliegenden Erfindung (Fig. 7 zeigt ein Beispiel für ein hitzegehärtetes Melamin- Kondensat) durch eine Reihe vorteilhafter Merkrnale gekennzeichnet.
Erstens weisen Schaumstoffe gemäß der vorliegenden Erfindung hinsichtlich der physikalischen Strüktur ein dreidimensionales Netzwerk sehr feiner Fasern auf, das von Natur aus keine Zellwände enthält. Die Fasern weisen ein relativ großes Längen-/Breitenverhältnis auf, z.B. in der Größenordnung von etwa 10 : 1 oder größer.
Durch die von Natur aus skelettartige Beschaffenheit schaumstoffartiger Massen gemäß der vorliegenden Erfindung ergibt sich ein großes freies Volumen geringer Dichte, weil ein großer Prozentsatz ihres Volumens aus interstitiellen Hohlräumen besteht. In dieser Hinsicht sind die Schaumstoffe dadurch gekennzeichnet, daß sie in ihrem im Tintenreservoir verwendeten Zustand (d.h. in nichtkomprimiertem oder komprimiertem Zustand):
(i) ein freies Volumen, das größer als etwa 95%, vorzugsweise größer als etwa 97% und im besonders bevorzugten Fall größer als etwa 99% ist; oder
(ii) eine Dichte von weniger als etwa 0,024 g/cm³ (1,5 lbs./ft.³), vorzugsweise weniger als etwa 0,016 g/cm³ (1,0 lbs./ft.³) und im besonders bevorzugten Fall weniger als etwa 0,011 g/cm³ (0,7 lbs./fl.³) aufweisen.
Hinsichtlich der Porengröße sind Schaumstoffe gemäß der vorliegenden Erfindung durch relativ gleichförmige Porengrößen gekennzeichnet und weisen einen relativ geringen Prozentsatz an Poren auf, die erheblich kleiner als die durchschnittliche Porengröße sind. Genauer gesagt sind die Materialien gekennzeichnet durch:
(i) eine mittlere Porengröße im Bereich zwischen etwa 25 µ und 200 µ, vorzugsweise im Bereich zwischen etwa 50 µ und 175 µ, wobei sie im besonders bevorzugten Fall eine Mehrzahl von Poren im Größenbereich zwischen etwa 140 µ und 160 µ aufweisen; und
(ii) eine Porengröße, die so gleichförmig ist, daß mindestens etwa 95% der Poren eine Größe aufweisen, die größer als die 0,67-fache mittlere Porengröße ist, und vorzugsweise mindestens 97,5% der Poren eine Größe aufweisen, die größer als die 0,67-fache mittlere Porengröße ist, und im besonders bevorzugten Fall mindestens 99,5% der Poren eine Größe aufweisen, die größer als die 0,67-fache mittlere Porengröße ist.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführung, bei der die Mehrzahl der Poren eine Größe im Bereich zwischen etwa 140 µ und 160 µ aufweisen, gibt es im besonders bevorzugten Fall im wesentlichen keine Poren mit einem Durchmesser unter etwa 100 µ, und die größten Poren weisen einen Durchmesser von maximal etwa 175 Mikron auf. Mit einem Porengrößenbereich von maximal etwa 75 µ wird also eine bevorzugte Gleichmäßigkeit der Tintenabgabe aus dem Schaumstoff und ein gleichmäßigerer Gegendruck erreicht.
Hinsichtlich der Zusammensetzung von Schaumstoffen wird bevorzugt, daß die Schaumstoffe gegenüber den in gespeicherten Tinten enthaltenen Chemikalien relativ inert sind und weder aufquellen noch Bestandteile aus den Tinten extrahieren.
Eine sowohl hinsichtlich ihrer Zusammensetzung als auch in bezug auf andere oben beschriebene Aspekte bevorzugte Gruppe von Schaumstoffen sind die in US-A-4,540,717 beschriebenen hitzegehärteten Schaumstoffe, die vorzugsweise mehr als 80% Melamin- Formaldehyd-Kondensat und im besonders bevorzugten Fall unverändertes, hitzegehärtetes Melamin-Formaldehyd-Kondensat enthalten.
Diese besonders bevorzugte Gruppe von Melamin-Formaldehyd-Kondensat-Schaumstoffen weisen eine Vielzahl untereinander verbundener, dreidimensional verzweigter Stege (oder Fasern) auf Wie im '717-Patent beschrieben, weisen die Schaumstoffstrukturen vorzugsweise:
1. ein mittleres Längen-/Breitenverhältnis in der Größenordnung von etwa 10:1 oder größer; und
2. eine Steg- oder Faserdichte im Größenbereich von etwa 1,10 Gramm/Milliliter oder größer auf
Durch zu kurze Stege (d.h. mit zu geringem Längen-/Breitenverhältnis) kann das große freie Volumen, das zur Maximierung des Tintenspeichers bevorzugt wird, verringert werden.
Wie im '717-Patent dargelegt, kann das mittlere Längen-/Breiten- (Durchmesser-) Verhältnis mikroskopisch gemessen und durch statistische Zähiverfahren bestimmt werden. Bei derartigen Verfahren wird die Steglänge als Abstand zwischen den Mitten von zwei Knotenpunkten und die Stegbreite (Durchmesser) als schmalster Teil eines Stegs definiert, in beiden Fällen auf einem Mikrobild gemessen. Die Dichte der Stege wird durch das Archimedische Prinzip bestimmt, nachdem eine Schaumstoffinasse in eine geeignete Flüssigkeit, zum Beispiel Isopropanol, gelegt wurde, von der sie aufgrund ihres offenzelligen Charakters vollständig durchtränkt wird.
Bei Melaminschaumstoffen zur Verwendung in erfindungsgemäßen Tintenreservoirs kann es sich um Melamin-Formaldehyd-Kondensate handeln, die neben dem Melamin bis zu 50, vorzugsweise 20, Gewichtsprozent anderer Zusammensetzungen enthalten, die aushärtende Kunstharze bilden, und neben dem Formaldehyd andere Aldehyde als mischkondensierte Einheiten enthalten. Die Verwendung eines im wesentlichen unveränderten Melamin- Formaldehyd-Kondensats wird jedoch aufgrund seiner von Natur aus hohen chemischen Trägheit gegenüber Tintenbestandteilen besonders bevorzugt.
Die besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Melamin-Schaumstoffe besitzen eine extrem geringe Dichte, was zur Bereitstellung eines größeren freien Volumens für die Tintenspeicherung sehr erwünscht ist. Bei Anwendung des in US-A-4,540,717 beschriebenen Ultrahochfrequenz-Bestrahlungsverfahrens können derartige Schaumstoffe mit einer Dichte von nur 1,6 [g. 1&supmin;¹] hergestellt werden.
Melaminschaumstoffe der oben beschriebenen Art werden von der BASF Aktiengesellschaft, Bundesrepublik Deutschland (BASF Corp., Chemical Div., Parsippany, New Jersey) hergestellt und unter der Handelsbezeichnung BASOTECT von diesem Unternehmen und unter der Handelsbezeichnung WILTEC von Illbruck Schaumstofttechnik, Leverkusen, Westdeutschland (Illbruck USA, Minneapolis, Minn.) verkauft. Diese Schaumstoffe werden im allgemeinen als Wärme- und Schalldämmstoffe für Gebäude, Fahrzeuge und größere Behälter vertrieben. Andere bekannte Verwendungen sind stoßdämpfende Verpackungen, Verbandszeug, Reinigungsmaterialien und Bodenbehandlung.
Ich habe entdeckt, daß die oben beschriebenen Melamin-Formaldehyd-Kondensat- Schaumstoffe bei der Lösung der bisher bei Reservoirs für Tintenstrahldrucksysteme auf dem Stand der Technik vorhandenen Probleme bemerkenswerte Leistungen zeigen. Dies ist teilweise darauf zurückzuführen, daß ihr im wesentlichen isotropes Netzwerk sehr feiner, fasriger Elemente im wesentlichen völlig offene Zellwände von sehr gleichförmiger Größe (im Vergleich zu Strukturen auf dem Stand der Technik) aufweist. Dadurch ergibt sich eine bessere Porenstruktur und ein sehr großes freies Volumen zum Speichern von Tinte. Diese Struktur ermöglicht die Speicherung von mehr Tinte in einem bestimmten Reservoirvolumen und besitzt stabilere Tintenrückhalte- (und Gegendruck-) Eigenschaften als die in Tintenreservoirs verwendeten Schaumstoffstrukturen auf dem Stand der Technik. Obwohl derzeit eine Verwendung dieser Schaumstoffstrukturen in einem im allgemeinen nichtkomprimierten Zustand innerhalb der Reservoirs bevorzugt wird, kann bei bestimmten Anwendungen eine Komprimierung erwwischt sein, um strukturelle interstitielle Räume anzupassen während die oben erläuterten nützlichen oder bevorzugten Merkmale erhalten bleiben.
Das bessere Leistungsverhalten von Schaumstoffen gemäß der vorliegenden Erfindung in Tintenstrahlreservoirs wird durch die folgenden Ergebnisse einer Prüfung veranschaulicht, bei der das Betriebsverhalten zweier ansonsten identischer Druckpatronen verglichen wurde, wobei in einer Patrone das in US-A-4,771,295 beschriebene und derzeit kommerziell in Tintenstrahldruckpatronen verwendete gebrannte und gereinigte Polyurethan und in der anderen Patrone der oben beschriebene im Handel erhältliche akustische, offenzellige Wiltec - Schaumstoff auf Melaminbasis in im wesentlichen nichtkomprimiertem Zustand verwendet wurde. Melaminschaumstoff Netzartig geformter Polyurethanschaumstoff Patronengewicht ohne Tinte Patronengewicht mit Tinte Menge "gespeicherter" Tinte Patronengewicht nach "Trocken"-Drucken Menge gedruckte Tinte Volumen gedruckter Tinte (Dichte d. Tinte = 1,102) Gramm Volumen des Patronengehäuses % genutztes Patronenvolumen
Keiner der Schaumstoffe zeigte Anzeichen für vorzeitiges Nachlassen bei kontinuierlichem Drucken mit 2 kHz. Der Tintenstrahl wurde bei beiden Materialien abrupt unterbrochen.
Zusätzlich zu diesen bemerkenswerten Eigenschaften hinsichtlich des volumetrischen Wirkungsgrads und des besseren Tintenrückhaltevermögens zeigte der offenzellige Wiltec - Melaminschaumstoff im Vergleich zum netzartig geformten Polyurethan eine bessere Tintenkompatibilität. Es wird angenommen, daß dies nicht nur auf die Zusammensetzung des Schaumstoffs, sondern auch auf seine von Natur aus netzartige Struktur und die Herstellung durch Hitzeaushärtung zurückzuführen ist. "Netzartig geformter" Polyurethanschaumstoff wie der in Fig. 8 gezeigte Schaumstoff weist teilweise erhaltene Zellwände und Rückstände aus dem Retikulationsverbrennungsprozeß auf. Es wurde festgestellt, daß die Zellwände und Rückstände Tintenbestandteile aufhehmen, z.B. oberflächenaktive Substanzen und Farbstoffe. Dies führt dazu, daß der Ausdruck schlechter trocknet und die Druckdichte sich verschlechtert. Schaumstoffe gemäß der vorliegenden Erfindung nehmen mit ihrer vollständig offenporigen Zellwandstruktur und ihren dichten, skelettartigen Fasern wichtige Tintenbestandteile nicht in dem Maß auf, daß der Druck beeinträchtigt wird. Der Absorbierungsunterschied wird erkennbar, wenn die beiden Schaumstoffe mit denselben Tinten verglichen werden. Der offenzellige Schaumstoff auf Melaminbasis zeigt keine Tintenaufnahme, und das netzartig geformte Polyurethan zeigt eine sichtbare gelbliche Tönung.
Obwohl die oben beschriebenen speziellen Schaumstoffe auf Melaminbasis für den Einsatz in den Reservoirs von Tintenstrahldrucksystemen besonders bevorzugt werden, werden Personen mit Fachkenntnissen anerkennen, daß andere tintenkompatible Schaumstoffstrukturen aus dreidimensional vernetzten feinen Fasern mit geringer Dichte und im wesentlichen vollständig offener Zellstruktur von ähnlicher Größe und Gleichförmigkeit ebenfalls verwendet werden können. Wie bereits erwähnt, können Schaumstoffe mit den oben beschriebenen gewünschten Merkmalen in Tintenreservoirs in nichtkomprimiertem oder teilweise komprimiertem Zustand verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung kann industriell genutzt werden, um den Wirkungsgrad von Tintenspeichern in Tintendruckpatronen zu verbessern, während das Befüllen der Patrone vereinfacht, die Gleichmäßigkeit der Tintenzuführ erhöht und eine ungunstige Wechselwirkung mit der Tinte verringert wird.

Claims

1. Drop-on-demand Tintenstrahldrucksystem, welches einen Druckkopf (60; 70; 90) mit Öffnungen (79; 100), Tropfenausstoßwandlern (76; 99), ein Leitungsmittel (86; 98) zum Zuführen von Tinte zu den nahe den Wandlern (76; 99) befindlichen Tropfenausstoßbereichen und ein Tintenreservoir (80) aufweist, wobei das System durch folgende Komponenten gekennzeichnet ist:

a) ein einen Tintenspeicher bildendes Gehäuse (61, 62, 63; 81, 82, 83; 91, 92, 93) mit einer Entlüftungsöffnung (64; 84; 94) und einer mit dem Leitungsmittel (68; 88; 98) verbundenen Tintenaustrittsäffnung (66; 86; 96);

b) einen Schaumstoff (50), der im wesentlichen einen Großteil des Gehäuses (61, 62, 63; 81, 82, 83; 91, 92, 93) füllt und die Tintenaustrittsöffnung (66; 86; 96) bedeckt, wobei der Schaumstoff (50) ein dreidimensional verzweigtes Netzwerk untereinander verbundener feiner Fasern aufweist, die ein großes, aus gleichgroßen interstitiellen Poren bestehendes freies Volumen bilden.

2. Drucksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaumstoff (50) von Natur aus netzartig ist.

3. Drucksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaumstoff (50) ein hitzegehärtetes Melaminkondensat ist.

4. Drucksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaumstoff (50) in seinem im Gehäuse (81, 82, 83) verwendeten Zustand ein freies Volumen aufweist, das größer als etwa 95% seines Gesamtvolumens ist.

5. Drucksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaumstoff (50) in nichtkomprimiertem Zustand eine Dichte von weniger als etwa 0,024 g/cm³ aufweist.

6. Drucksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaumstoffstruktur in nichtkomprimiertem Zustand im wesentlichen isotrop ist.

7. Drucksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaumstoff (50) in nichtkomprimiertem Zustand aus gleichgroßen interstitiellen Poren mit einer mittleren Porengröße im Bereich zwischen etwa 50 µ und 175 µ besteht.

8. Drucksystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl der Schaumstoffporen eine Größe im Bereich zwischen etwa 140 µ und 160 µ aufweisen.

9. Drucksystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaumstoff (50) im wesentlichen keine Poren mit einem Durchmesser unter etwa 100 µ enthält.

10. Drucksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaumstoff (50) in nichtkomprimiertem Zustand aus gleichgroßen interstitiellen Poren mit einem Porengrößendurchmesserbereich von maximal etwa 75 µ besteht.

11. Drucksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaumstoff (50) aus gleichgroßen interstitiellen Poren besteht, wobei die Mehrzahl der Poren einen Durchmesser im Bereich zwischen etwa 140 µ und 160 µ und mindestens etwa 95% der Poren einen Durchmesser aufweisen, der größer als der 0,67-fache mittlere Porendurchmesser ist.

12. Drucksystem nach Anspruch 1, dadurch geklennzeichnet, daß die Schaumstoffasern ein Längen-/Breitenverhältnis in der Größenordnung von etwa 10 : 1 oder größer aufweisen.

13. Drucksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaumstoff zwischen den Fasern keine Zellmembran enthält.

14. Drucksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaumstoff (50) gegenüber den Tintenbestandteilen im wesentlichen chemisch inert ist.

15. Drucksystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaumstoff (50) im wesentlichen unverändertes Melamin-Formaldehyd-Kondensat enthält, das hitzegehärtet wurde.

16. Drucksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Tintenreservoir mit dem Druckkopf in Flüssigkeitsverbindung steht und das Reservoir aus dem Gehäuse (91, 92, 93) besteht, das einen Tintenspeicher bildet und eine mit dem Druckkopf verbundene Tintenaustrittsöffnung (96) sowie einen das Gehäuse (91, 92, 93) füllenden, von Natur aus faserigen Schaumstoff (50) aufweist, wobei der Schaumstoff (50) aus einer Vielzahl feiner, untereinander verbundener, dreidimensional verzweigter Fasern besteht.

17. Drucksystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse (91, 92, 93) eine Entlüftungsöffnung (94) vorgesehen ist und der Schaumstoff (50) die Tintenaustrittsöffnung (96) bedeckt.

18. Drucksystem nach den Ansprüchen 1 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaumstoff (50) aus einem Melamin-Formaldehyd-Kondensat besteht.

19. Drucksystem nach den Ansprüchen 1 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaumstoff (50) nicht weniger als 80 Gewichtsprozent Melamin-Formaldehyd als kondensierte Einheiten enthält.

20. Drucksystem nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern eine Dichte von über 1,1 g/cm³ aufweisen.

21. Verfahren zum drop-on-demand Tintenstrahldrucken mit folgenden Schritten:

(a) wahlweises Ausstoßen von Tintentropfen aus Tropfenausstoßbereichen durch die den Tropfenausstoßbereichen zugeordneten Öffnungen (79; 100);

(b) Zuführen von Tinte durch Leitungsmittel (68; 88; 98) zu den Tropfenausstoßbereichen über Kapilarkräfte, um bereits ausgestoßene Tropfen zu ersetzen;

(c) Versorgen der Leitungsmittel mit Tinte aus der Schaumstoffstruktur (50), die aus einer Masse feiner, gegenseitig verbundener, dreidimensional verzweigter Fasern bestehen, die untereinander verbunden sind und ein großes freies Volumen aus gleichgroßen interstitiellen Poren bilden.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaumstoff (50) von Natur aus netzartig ist.

23. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaumstoff (50) ein hitzegehärtetes Melaminkondensat ist.

24. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaumstoff (50) in seinem im Gehäuse (61, 62, 63; 81, 82, 83; 91, 92, 93) verwendeten Zustand ein freies Volumen aufweist, das größer als etwa 95% seines Gesamtvolumens ist.

25. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaumstoff (50) in seinem nichtkomprimierten Zustand eine Dichte von weniger als etwa 0,024 g/cm³ aufweist.

26. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaumstoffstruktur in nichtkomprimiertem Zustand im wesentlichen isotrop ist.

27. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaumstoff (50) in seinem verwendeten Zustand eine mittlere Porengröße im Bereich zwischen etwa 50 µ und 175 µ aufweist.

28. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl der Schaumstoffporen eine Größe im Bereich zwischen etwa 140 µ und 160 µ aufweisen.

29. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaumstoff (50) im wesentlichen keine Poren mit einem Durchmesser unter 100 µ enthält.

30. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaumstoff (50) in seinem nichtkomprimierten Zustand einen Porengrößendurchmesserbereich von maximal etwa 75 µ aufweist.

31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl der Poren einen Durchmesser im Bereich zwischen etwa 140 µ und 160 µ und mindestens etwa 95% der Poren einen Durchmesser aufweisen, der größer als der 0,67-fache mittlere Porendurchmesser ist.

32. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaumstoffasern ein Längen-/Breitenverhältnis in der Größenordnung von etwa 10 : 1 oder größer aufweisen.

33. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaumstoff (50) zwischen den Fasern keine Zellmembran enthält.

34. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaumstoff (50) gegenüber den Tintenbestandteilen im wesentlichen chemisch inert ist.

35. Verfahren nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaumstoff (50) im wesentlichen unverändertes Melamin-Formaldehyd-Kondensat enthält, das hitzegehärtet wurde.