DE69108390T2

DE69108390T2 - Tintenzufuhrvorrichtung für kontinuierlich arbeitenden tintenstrahldrucker.

Info

Publication number: DE69108390T2
Application number: DE69108390T
Authority: DE
Inventors: Howard Manning; David Reed
Original assignee: Domino Printing Sciences PLC
Current assignee: Domino Printing Sciences PLC
Priority date: 1990-05-03
Filing date: 1991-05-03
Publication date: 1995-07-27
Anticipated expiration: 2011-05-04
Also published as: EP0522088B1; GB9009957D0; DE69108390D1; EP0522088A1; US5459497A; JPH05507660A; WO1991017052A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldrucker, dessen Tinte unter Druck durch eine Düse hindurchgeführt wird, der Tintenstrahl in kleine Tröpfchen unterbrochen wird, die einzeln beschleunigt und abgelenkt werden, um auf einem Träger, der relativ zu der Düse bewegt wird, zu drucken.
Eine Vielzahl von Problemen treten bei den konventionellen Systemen auf, wie beispielsweise in der US-A-4 121 222 beschrieben. Die Tinten, die üblicherweise benutzt werden, weisen einen Farbstoff und ein Lösungsmittel auf, das danach strebt, in der Luft zu verdunsten, so daß Lösungsmittel kontinuierlich während des Druckvorganges zugefügt werden muß. Die meisten konventionellen Systeme verwenden zwei Pumpen, eine erste Pumpe, um die Tinte unter Druck zu setzen und sie dem Druckkopf zuzuführen und eine zweite Pumpe, die die nichtbenutzte Tinte von der Rinne des Systems wegführt, in die die unbeschleunigten und daher unbenutzten Tröpfchen gelenkt werden. Tintenunterstützungssysteme für konventionelle Drucker sind meist komplex aufgebaut.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Tintenzufuhrvorrichtung für kontinuierlich arbeitende Tintenstrahldrucker vorgeschlagen, die einen Druckkopf mit einem Ausstoßkörper umfaßt, von dem Tröpfchen unter Druck in Richtung einer Rinne gelenkt werden, wobei die Tintenzufuhrvorrichtung folgende Mittel umfaßt:
- Pumpmittel, um Tinte und Luft, die von der Rinne zurückgeführt werden, auf einen Druck zu setzen, der über dem liegt, der für den Ausstoß der Tinte aus dem Ausstoßkörper erforderlich ist;
- ein Tintenreservoir, von dem frische Tinte zu den Pumpmitteln geführt werden kann;
- eine erste Kammer, von der Tinte und Luft von den Pumpmitteln zugeführt wird;
- Mittel, um den Druck der der Tinte in der ersten Kammer entweichenden Luft über der Tinte in der ersten Kammer aufrechtzuerhalten und um die erste Kammer zu entlüften;
- eine zweite Kammer, zu der Tinte aus der ersten Kammer geführt wird;
- Mittel zur Steuerung des Luftdrucks über der Tinte in der zweiten Kammer, um die Tinte unter den Druck zu setzen, der für den Druckkopf erforderlich ist; und
- Mittel, die den Druckkopf mit Tinte aus der zweiten Kammer versorgen.
Vorzugsweise ist auch ein Lösungsmittelbehälter vorgeschlagen.
In einer solchen Vorrichtung wird die Tinte (zusammen mit der Luft), die die Rinne erreicht, beispielsweise durch eine Zweistufen-Pumpe in einer ersten Kammer unter Druck zusammengepreßt, wobei der Druck höher ist als derjenige, der in dem Ausstoßkörper (Druckkopf) vorgesehen ist. Hierdurch werden die Luft und die Tinte in der ersten Kammer getrennt. Tinte aus der ersten Kammer kann durch ein Ventil und eine Drossel in eine zweite Kammer, die im wesentlichen einen Druck aufweist, der dem im Ausstoßkörper entspricht, geführt werden, und von dieser zweiten Kammer aus wird die Tinte in den Ausstoßkörper (Druckkopf) geführt. Die Luft oberhalb der Tinte in der zweiten Kammer wird dazu verwendet, den Tintenflußdruck zu stabilisieren, wobei diese Luft von der ersten Kammer über ein entsprechendes Ventil geleitet wird und diese durch ein Ventil entlüftet wird, wenn es notwendig ist, den Druck zu drosseln.
Die so ausgestaltete Einrichtung reduziert erheblich die Menge des Lösungsmittels, das durch Verdunstung verloren geht, aufgrund dessen, daß die Luft, die die Rinne erreicht, bis zu einem Druck oberhalb des atmosphärischen Drucks zusammengedrückt werden kann, beispielsweise auf 4 bar.
Die Einrichtung weist den Vorteil auf, daß eine einzige Pumpe vorgesehen werden kann, deren Ausstoßdruck für den Druckvorgang nicht kritisch ist. Unter Zuhilfenahme der Pumpe kann die Tinte unter solch einen hohen Druck gesetzt werden, daß die Luft, die von der Tinte mitgeführt wird, beim Eintritt in die Rinne zusammengedrückt wird, wobei ein großer Teil des hierin enthaltenen Lösungsmittels aus der Luft kondensiert wird und so ein Wiederlösen in der Tinte ermöglicht und daher die Menge des Lösungsmittels, das normalerweise von Zeit zu Zeit hinzugefügt werden muß, reduziert. Die hier genannte Pumpe ist in unserer britischen Anmeldung mit der Nummer 9023552.4 beschrieben.
Der entscheidende Tintenflußdruck kann durch die zusammengedrückte Luft, bevor sie von der ersten in die zweite Kammer kommt, bestimmt werden oder durch Überdruck von der zweiten Kammer, wenn notwendig, oder einfach durch den Ausgleich zwischen dem Tintentransport aus der ersten Kammer in die zweite Kammer (was bedingt, daß Luft in der zweiten Kammer zusammengedrückt wird) und den Fluß der Tinte von der zweiten Kammer. Der Fluß der Tinte in die zweite Kammer kann durch den Druckunterschied zwischen der ersten und zweiten Kammer (einer Drossel zwischen diesen) und dem Betriebszyklus eines Ventils zwischen den beiden Kammern bestimmt werden, und der Ausfluß aus der zweiten Kammer kann durch den Luftdruck in der zweiten Kammer und die Größe der Tröpfchen im Druckkopf und über die Zufuhrleitung zu dem Druckkopf gesteuert werden. Der Ausgleich des Flusses in und aus der zweiten Kammer kann durch Einstellung des Flusses gesteuert werden, so daß das Ventil, das zwischen der ersten und zweiten Kammer angeordnet ist, in Verbindung mit dem Fluß und indirekt bedingt durch die gewünschte Geschwindigkeit der von dem Druckkopf ausgestoßenen Tinte geregelt werden.
Ein Ausführungsbeispiel einer solchen Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun im nachfolgenden in bezug auf das anhängende Flußdiagramm beschrieben.
In dem Diagramm ist der Fluß der Flüssigkeit (Tinte und/oder Lösungsmittel) mit dem Zeichen " " und der Fluß der Luft mit dem Zeichen " " gekennzeichnet.
Für die Tinte ist bei dieser Einrichtung ein Reservoir 1, das während des Druckvorganges ausgewechselt werden kann, und für das Lösungsmittel ist ein zweites Reservoir 2 vorgesehen. Die Reservoires 1 und 2 führen Tinte und ein die Tinte verbesserndes Lösungsmittel (beispielsweise Lösungsmittel zusammen mit einer kleinen Menge Tinte) unmittelbar durch Magnetventile 3 und 4 und Drosseln 5 und 6 in eine erste Versorgungsleitung 7. Die Versorgungsleitung 7 ist mit der Rinne 8 über eine zweistufige Pumpe 9 verbunden.
Im Gebrauch wird die Tinte von der Rinne 8 zur Pumpe 9 geführt, die Rinne 8 erhält ihre Tinte von dem Ausstoßkörper 10 im Druckkopf 10' in Form von Tröpfchen. Unvermeidbar wird Luft von der Tinte aufgenommen, wenn diese an die Rinne gelangt. Die Tinte wird auf einen Druck gebracht, der höher - z.B. 4 - 6 bar in der ersten Kammer 12 und 2 - 5 bar in der zweiten Kammer 19 (der Druck in der ersten Kammer 12 ist in jedem Fall höher als der in der zweiten Kammer 19) - als der für den Ausstoßkörper notwendig ist und wird dann durch eine zweite Leitung 11 in eine erste Kammer 12 geführt. Oberhalb der Tinte in Kammer 12 bleibt ein Luftdruck in einem Zwischenraum 13, wobei der Zwischenraum 13 über eine Drossel 14' und Ventile 14, 15 entlüftet werden kann, wobei das Ventil 14 ein Magnetventil und das Ventil 15 ein Drosselventil ist. Die Tinte wird unter Druck durch eine weitere Leitung 16, durch ein weiteres Magnetventil 17 und eine Drossel 18 in die zweite Kammer 19 geführt, in der Luft in einem Raum 20 unter Druck gehalten wird. Der Luftdruck in dem Raum 20 ist so ausgewählt, daß die Tinte in der zweiten Kammer 19 den richtigen Druck für die Durchführung durch den Druckkopf über eine weitere Leitung 21 hat.
Über eine Nebenleitung, durch eine Leitung 22, die ein Ventil 23 und eine Drossel 23' aufweist, kann die Tinte unmittelbar vom Druckkopf 10 zu der Pumpe 9 gelangen und so die Rinne 8 meiden.
Luft wird von dem Raum 13 durch ein Ventil 14 in den Raum 20 geführt, um den erforderlichen Luftdruck in dem Raum 20 aufrechtzuerhalten, und dadurch bedingt, den erforderlichen Druck auf die Tinte in der Kammer 19 aufrechtzuerhalten. Luft, die nicht für die Druckerzeugung benötigt wird, kann über ein Magnetventil 25 und eine Drossel 24 abgeführt werden, wobei die Luft durch eine Leitung 26 zu einem Ablaß 27 strömt. Die erste Kammer 12 öffnet über ein Magnetventil 29 zu einem Überlauftank 28, dessen Luftraum ebenfalls mit dem Auslaß 27 verbunden ist.
In Gebrauch werden die Ventile 14 und 25 geöffnet, wenn die Tintenflußgeschwindigkeit, die über einen Sensor am Druckkopf gemessen wird (nicht dargestellt), zu niedrig bzw. zu hoch wird. Ist die Tintenflußgeschwindigkeit zu niedrig, wird über das Ventil 14 entlüftet, um der Luft die Möglichkeit zu geben, in den Raum 20 oberhalb der Kammer 19 zu gelangen, um dort den Druck im Raum 20 und so den Druck auf die Tinte in Kammer 19 anwachsen zu lassen, um die gewünschte Flußgeschwindigkeit am Druckkopf 10' aufrechtzuerhalten. Ist die Flußgeschwindigkeit zu hoch, so wird das Ventil 25 dazu benutzt, den Raum 20 zu entlüften und so den Luftdruck zu reduzieren. Vielfache Wiederholungen dieser Operationen können durchgeführt werden, um sicherzustellen, daß die Geschwindigkeit der Tinte konstant gehalten wird. Es sollte bemerkt werden, daß die Tintenflußgeschwindigkeit eher dazu neigt, anzuwachsen als niedriger zu werden durch ständigen Lufteintritt während des Betriebs.
Ein alternatives Steuerungsschema kann das Ventil 17 anwenden, um die Geschwindigkeit durch Steuerung der Tintenpassage von der ersten Kammer 12 zur zweiten Kammer 19 zu steuern und Ventile 14 und 25, um den Füllstand der Tinte in der zweiten Kammer 19 zu überwachen, um die richtige Tintenflußgeschwindigkeit zu erzielen. Solch ein Schema setzt eine häufige Betätigung jedes einzelnen Ventils 14, 25, 17 voraus, mehr noch als die bloße häufige Betätigung des Ventils 17.
Die Größe der zweiten Kammer 19 ist wichtig, um die Druckschwankungen im Druckkopf zu reduzieren, wobei wenige Zehntel Milliliter als ausreichend angesehen werden. Da das Volumen der Luft in der ersten Kammer 12 ähnlich ist, sind keine ernsthaften Auswirkungen auf das Drucksystem zu erwarten.
Die Zugabe des Lösungsmittels aus dem Reservoir 2 kann durch die Betätigung des Ventils 4 gesteuert werden, wobei Lösungsmittel dann hinzugefügt wird, wenn die Viskosität der Tinte zu hoch ist, wobei die Viskosität beispielsweise durch Messen der Druckdifferenz zwischen den beiden Kammern 12, 19 festgestellt wird, die den Tintenfluß durch die Drossel 18 treibt, wobei die Tintenflußrate durch die Drossel 18, wenn das Ventil 17 geöffnet ist, von dem Betriebszyklus des Ventils 17 ableitbar ist und die Tintenflußgeschwindigkeit am Druckkopf, wie im folgenden beschrieben wird.
Zwischen den beiden Kammern 12, 19 sind in der Leitung 16 ein Drucksensor 39 und ein Temperatursensor 40 angeordnet. Ist das Ventil 17 geschlossen, mißt der Drucksensor 39 effektiv den Druck in der ersten Kammer 12, wobei, wenn das Ventil 17 geöffnet ist, vom Drucksensor 39 der Druck in der zweiten Kammer 19 effektiv vom Drucksensor 39 gemessen wird. Wandert die Tinte von der ersten Kammer 12 in die zweite Kammer 19, operiert das Ventil 17 in "mark-space-fashion", um vorbestimmte Mengen der Tinte passieren zu lassen. Aus der Erkenntnis des "mark-space Verhältnisses", der Flußgeschwindigkeit (gemessen am Druckkopf), der Drücke in der ersten und zweiten Kammer 12, 19, der Größe der Druckkopfdüse, der Größe der Drossel 18 und der Temperatur, gemessen durch den Sensor 40, kann die Viskosität der Tinte errechnet werden, was nahezu einem Viskometer entspricht. Die Formel hierfür ist
f = Zeitraum, in dem das Ventil (17) geöffnet ist
Pp = erster Druck
Ps = zweiter Druck
Dres= Durchmesser der Drossel (18)
lres= Länge der Drossel (18)
djet= Tintenstrahldurchmesser (=Düsendurchmesser)
vjet= Tintenstrahlgeschwindigkeit
Wie hieraus zu entnehmen ist, hat die Einrichtung verschiedene Sicherheitsvorrichtungen. Erstens ist das Ventil 15 in Form eines Drosselventils vorgesehen, um übergroßen Druck in der ersten Kammer 12 zu verhindern. Zweitens sind die Ventile 14 und 25 normalerweise geöffnet, so daß im Falle eines Stromausfalls oder eines allgemeinen Ausfalls die Einrichtung automatisch und praktisch unverzüglich drucklos gemacht werden kann.
Tinte kann wie ein Bypass vom Tintenkopf zugeführt werden, und zwar durch Betätigen des Ventils 23, um Luft aus der Tinte zu entfernen.
Luft kann in den Tintenkopf 10' über eine Entlüftung 37 unter Zuhilfenahme eines Gebläses 42 eintreten. Die Luft kann aus dem Bereich der Platine, die die elektronischen Komponenten enthält, in die Entlüftungsöffnung 37 eindringen. Luft, die in diesen Bereich eindringt, wird gefiltert (um die elektronischen Komponenten sauber zu halten) und kann so sicher in den Druckkopf geblasen werden, um einen positiven Druck im Druckkopf zu erhalten, was wiederum das Eindringen verschmutzter Luft in den Druckkopf aus der Umgebung verhindert. Zusätzlich ist diese Luft, die durch den Tintenkopf geblasen wird, frei von Lösungsmitteln, wodurch die Bildung von Lösungsmitteldämpfen im Druckkopf verhindert wird.
Alternativ hierzu kann aus selbem Grund ein Unterdruck im Druckkopf erreicht werden, indem das Gebläse 42 und die Auslaßöffnung 37 weggelassen wird.
Die Sensoren 32, 33 und 33' überwachen den Füllstand der Tinte in der ersten Kammer 12 und bestimmen jeweils, wann der Füllstand gefährlich hoch wird, überwiegend korrekt oder gefährlich niedrig ist, ermöglichen geeignete zu treffende Maßnahmen (solche wie plötzliches Abschalten, wenn Gefahr besteht) entweder durch elektronische automatische Steuerung oder durch Warnung des Benutzers. Ahnlich hierzu sind zwei Sensoren 30, 31 zum Messen des Tintenfüllstands in der zweiten Kammer 19 vorgesehen, um dessen Erhalt innerhalb bestimmter Grenzen zu sichern und einen stabilen Tintenfluß zu gewährleisten.
Es kann festgestellt werden, daß der Tintendruck in der ersten Kammer nicht kritisch ist, wodurch die Herstellung und die Steuerung der Pumpe 9 weniger kritisch und dadurch einfacher ist.
Der Verlust von Lösungsmittel, der hauptsächlich ein ökonomisches und ein Gesundheitsproblem bei konventionellen Einrichtungen ist, wird aus vielen Gründen reduziert. Erstens wird die Luft, die die Rinne 8 erreicht, unter Druck gesetzt, und so der Verlust durch Zerstäubung im Bereich des Druckkopfes reduziert. Zweitens kann das Lösungsmittel in beiden Räumen 13, 20 in der Luft auskondensieren und so in der Tinte für die Rückführung zum Druckkopf erhalten bleiben.
Der Luft ist es möglich, aus der Tinte in beiden Kammern 12, 19 zu entweichen, wodurch die Integrität der Tinte und deren Fluß- und Druckcharakteristik beibehalten wird.
Die zweite Kammer 19 und ihr Luftraum 20 wirken als Puffer, was sich in einem sehr gleichmäßigen Druck im Ausstoßkörper 10 auswirkt.
Eine Anzahl von Filtern kann in den Leitungen der Einrichtung vorgesehen sein, um sicherzustellen, daß die Tinte rein bleibt, wie es anhand eines Beispiels unter dem Bezugszeichen 43 dargestellt ist. Die Filter 43 können grobe Filter mit einem Nenndurchmesser von 20 µm in der Rinne sein und feinere Filter, von beispielsweise 3 µm, die an anderer Stelle eingesetzt werden. Ein Temperatursensor 44 ist ebenfalls dargestellt, der für die Überwachung und Steuerungsmöglichkeit des Druckkopfes 10' eingesetzt wird.

Claims

1. Tintenzufuhrvorrichtung für kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldrucker, der einen Druckkopf (10') mit einem Ausstoßkörper (10) umfaßt, von dem Tröpfchen unter Druck in Richtung einer Rinne (8) gerichtet sind, wobei die Tintenzufuhrvorrichtung

- Pumpmittel (9) umfaßt, um Tinte und Luft, die von der Rinne (8) zurückgeführt werden, auf einen Druck zu setzen, der über dem liegt, der für den Ausstoß der Tinte aus dem Ausstoßkörper (10) erforderlich ist;

- ein Tintenreservoir (1) umfaßt, von dem frische Tinte zu den Pumpmitteln (9) geführt werden kann;

- eine erste Kammer (12) umfaßt, der Tinte und Luft von den Pumpmitteln (9) zugeführt wird;

- Mittel (13, 14, 14', 15, 24, 25) umfaßt, um den Druck der der Tinte in der ersten Kammer (12) entweichenden Luft über der Tinte in der ersten Kammer (12) aufrechtzuerhalten und um die erste Kammer zu entlüften;

- eine zweite Kammer (19) umfaßt, zu der Tinte aus der ersten Kammer (12) geführt wird;

- Mittel (14, 14', 20, 24, 25) zur Steuerung des Luftdrucks über der Tinte in der zweiten Kammer (19) umfaßt, um die Tinte unter den Druck zu setzen, der für den Druckkopf (10) erforderlich ist; und,

- Mittel (21) umfaßt, die den Druckkopf mit Tinte aus der zweiten Kammer (19) versorgen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß weiter ein Lösungsmittelbehälter (2) vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Steuerung des Luftdrucks über der Tinte in der zweiten Kammer (19) ein Ventil (25) für die Entlüftung der Luft über der Tinte in der zweiten Kammer (19) einschließen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Steuerung der Luft über der Tinte in der zweiten Kammer (19) eine Leitung und ein Ventil (14) einschließen, die die Lufträume (13, 20) über der Tinte in der ersten (12) und der zweiten (19) Kammer verbinden.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ventil (17) in einer Leitung (16) vorgesehen ist, durch das Tinte während der Benutzung selektiv von der ersten Kammer (12) zu der zweiten Kammer (19) hindurchfließen kann.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ferner ein Temperatursensor (40) und eine Drossel (18) in der Leitung (16) vorgesehen sind, durch die während des Gebrauchs Tinte zwischen der ersten (12) und der zweiten (19) Kammer hindurchfließt, und ein Drucksensor (39) in Fließrichtung vor dem Ventil (17) in genannter Leitung (16) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichziet, daß ferner ein Füllstandsensor (30, 31, 32, 33, 33') in jeder der ersten und zweiten Kammern (12, 19) vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ferner ein Druckerzeuger (42) vorgesehen ist, um Luft durch eine Öffnung (37) in den Druckkopf (10') zu fördern.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ferner ein Überdruckventil (15) zur selbsttätigen Entlüftung des Raumes über der Tinte in der ersten Kammer (12) vorgesehen ist, wenn der Luftdruck einen vorher bestimmten Wert überschreitet.