[0001] Die Erfindung richtet sich auf eine Einrichtung zur Versorgung des Druckkopfs einer
Druckvorrichtung, insbesondere eines Tintenstrahldruckers, mit Tinte, umfassend einen
mit dem Druckkopf über eine Tintenzuleitung verbundenen Tintenspeisebehälter sowie
einen mit dem Tintenspeisebehälter über eine weitere Leitung verbundenen Tintenachfüllbehälter.
[0002] Um seine Aufgabe erfüllen zu können, muss der Druckkopf eines Druckers permanent
mit Tinte versorgt werden. Hierzu dient ein Tintenspeisebehälter, woraus der Druckkopf
mit Tinte gespeist wird. Dabei ist der vertikale Abstand zwischen dem Pegel in dem
Tintenspeisebehälter und den Düsenöffnungen des Druckkopfs je nach der Konstruktion
eines Druckers vorgeschrieben und sollte für ein optimales und gleichmäßiges Druckbild
auch möglichst präzise eingehalten werden. Da der Druckkopf permanent Tinte verbraucht,
würde der Pegel in dem Tintenspeisebehälter allmählich absinken und damit Rückwirkungen
auf das Druckbild haben. Um solche Rückwirkungen zu verhindern, wird der Tintenspeisebehälter
professioneller Druckvorrichtungen regelmäßig nachgefüllt.
[0003] Hierzu dient üblicherweise ein Regler für den Tintenpegel, welcher diesen regelungstechnisch
konstant hält. Dazu wird der Füllstand in dem Tintenspeisebehälter gemessen und dem
zumeist als Zweipunktregler ausgebildeten Regler als Istwert h
ist zugeführt. Dieses Signal wird mit einem Sollwert h
soll verglichen, und wenn die Differenz (h
ist - h
soll) einen vorgegebenen, unteren Grenzwert h
u unterschreitet, aktiviert der Regler eine Pumpe, um den Tintenspeisebehälter aus
einem Tintenvorratsbehälter nachzufüllen. Diese Pumpe bleibt aktiv, bis die Differenz
(h
ist - h
soll) einen weiteren, vorgegebenen, oberen Grenzwert h
o überschreitet.
[0004] Eine solche Regelung kann den Pegel in einem Tintenspeisebehälter allerdings nur
näherungsweise konstant halten, da eine Zweipunktregelung nur aufgrund einer ständigen
Füllstandsschwankung funktioniert. Darüber hinaus ist eine Pumpe erforderlich, welche
nur intervallweise betrieben wird und zusätzliche Vorkehrungen erordert, damit diese
niemals eintrocknet, also auch nicht bei - versehentlicher - Tiefentleerung des Tintenvorratsbehälters.
Daher muss nicht nur im Tintenspeisebehälter, sondern auch im Tintenvorratsbehälter
eine Füllstandsmessung etabliert werden. Die gesamte Anordnung gestaltet sich äußerst
aufwändig und ist damit nicht nur teuer, sondern auch störungsanfällig.
[0005] Aus den Nachteilen des beschriebenen Standes der Technik resultiert das die Erfindung
initiierende Problem, eine gattungsgemäße Einrichtung zur Versorgung des Druckkopfs
einer Druckvorrichtung, insbesondere eines Tintenstrahldruckers, mit Tinte derart
weiterzubilden, dass diese mit möglichst geringem Aufwand eingerichtet und betrieben
werden kann; darüber hinaus soll sie möglichst wenig störanfällig sein.
[0006] Die Lösung dieses Problems gelingt dadurch, dass der Tintenspeisebehälter
- a) luftdicht abgeschlossen ist und
- b) mit einem Unterdruck ptsb beaufschlagt ist, welcher derart eingestellt ist, dass er in der Lage ist, Tinte
von dem Tintennachfüllbehälter in den Tintenspeisebehälter zu saugen.
[0007] Im Gegensatz zu handelsüblichen Tintenspeisebehältern, welche dem atmosphärischen
Druck ausgesetzt sind, so dass der Tintenpegel im Inneren ohne Druckänderungen schwanken
kann, wählt die Erfindung eine völlig andere Struktur. Hierbei muss der Füllstand
der Tinte in dem Tintenspeisebehälter nicht unbedingt gemessen und geregelt werden,
um näherungsweise konstant gehalten werden zu können; ein Füllstandregler ist daher
nicht zwingend erforderlich, weder in Form eines Zweipunktreglers noch in Form eines
analogen oder digitalen Reglers. Stattdessen wird der abgeschlossene Tintenspeisebehälter
mit einem Unterdruck versorgt, der zur Folge hat, dass bei Bedarf die Tinte von einem
Tintennachfüllbehälter einzig unter dem Einfluss eines Druckunterschiedes in den Tintenspeisebehälter
strömen kann. Eine Tintenpumpe ist dazu nicht erforderlich und im Rahmen der vorliegenden
Erfindung daher auch nicht vorgesehen.
[0008] Stattdessen kann der Füllstand einzig mittels eines Ventils beeinflusst werden, was
im Verhältnis zu einer Pumpe mit einem äußerst geringen Energieaufwand möglich ist.
Damit ist es möglich, die bei einer abgeschlossenen Gasmenge in dem Tintenspeisebehälter
über dem Tintenpegel mit einer Schwankung desselben verbundene Druckänderung innerhalb
des Tintenspeisebehälters zu einer selbsttätigen Steuerung heranzuziehen, indem beispielsweise
ein mittels eines Federelements vorgespanntes, mechanisches Ventil eingesetzt wird,
welches derart eingebaut wird, dass bei Unterschreiten eines unteren Druckwerts innerhalb
des Tintenspeisebehälters das Ventil öffnet und sodann geöffnet bleibt, bis ein oberer
Druckwert überschritten wird.
[0009] Es kann sich aber auch um ein aktiv steuerbares Ventil handeln, insbesondere um ein
Magnetventil, welches elektrisch angesteuert wird. Solche Magnete sind vergleichsweise
einfach aufgebaut und ebenso einfach ansteuerbar, insbesondere von einer Steuerelektronik.
[0010] Dann besteht auch die Möglichkeit, das Ventil nicht nur anhand eines Druckwertes
anzusteuern, sondern auch andere Messwerte für eine Steuerung oder Regelung zu verwenden.
Falls der Druck in dem Tintenspeisebehälter nicht für eine Regelung verwendet wird,
kann dieser auch konstant gehalten werden.
[0011] Wenn solchermaßen ein konstanter Unterdruck erwünscht ist, sollte der Tintenspeisebehälter
mit einer Unterdruckquelle verbunden sein. Somit hat beispielsweise auch das Ausgasen
gelöster Luft oder anderer Gase aus der Tinte keinen spürbaren Einfluss auf den Unterdruck
innerhalb des Tintenspeisebehälters. Für die Konstanthaltung eines Unterdrucks kann
auch ein eigener Druckregelkreis vorgesehen sein.
[0012] Es hat sich als günstig erwiesen, dass der Tintenspeisebehälter auf einer festen
Höhe installiert ist, bezogen auf die Höhe des Druckkopfs. Somit ist bei einem konstanten
Pegel innerhalb des Tintenspeisebehälters auch der Höhenunterschied dieses Pegels
gegenüber den Düsenöffnungen des Druckkopfs konstant, und der Druckkopf kann auf Dauer
mit völlig unveränderten Betriebsbedingungen arbeiten, um optimale Druckergebnisse
zu erzielen.
[0013] Der Tintenspeisebehälter sollte sich auf einem Niveau oberhalb des Druckkopfs befinden.
Die Verbindung mit dem Druckkopf erfolgt sodann mittels einer Tintensäule, also einem
an dem Tintenspeisebehälter "hängenden" Tintenvolumen in einer Leitung oder in einem
Schlauch, welches aufgrund seines Gewichts dem Unterdruck in dem Tintenspeisebehälter
weitgehend das Druck-Gleichgewicht hält.
[0014] Besondere Vorteile ergeben sich dadurch, dass sich der Boden des Tintenspeisebehälters
auf einem Niveau von wenigstens 10 cm oberhalb der Düsen des Druckkopfs befindet,
vorzugsweise wenigstens 20 cm oberhalb der Düsen, insbesondere wenigstens 30 cm oberhalb
der Düsen. Eine gewisse Länge der Tintensäule ist erforderlich, um auch einem vergleichsweise
starken Unterdruck innerhalb des Tintenspeisebehälters die Waage zu halten.
[0015] Im Gegensatz zum Tintenspeisebehälter sollte der Tintennachfüllbehälter nicht luftdicht
abgeschlossen sein, so dass in seinem Inneren der selbe Druck herrscht wie der umgebende,
atmosphärische Druck p
atm. Demzufolge wirken auf die Tinte in der Leitung von dem Tintennachfüllbehälter zum
Tintentspeisebehälter unterschiedliche Drucke ein, nämlich der atmosphärische Druck
p
atm einerseits, ein Unterdruck p
tsb < p
atm andererseits. Die Druckdifferenz Δp = p
atm - p
tsb treibt den Tintenfluss zwischen beiden Behältern an, insbesondere auch entgegen der
nach unten gerichteten Gewichtskraft.
[0016] Für eine solche Belüftung des Tintennachfüllbehälters genügt eine relativ kleine
Öffnung beispielsweise in einer Größe von 10 mm
2 oder weniger, vorzugsweise von 5 mm
2 oder weniger, insbesondere von 2 mm
2 oder weniger. Darüber hinaus kann der Tintennachfüllbehälter weitgehend geschlossen
oder verschließbar sein, damit die darin enthaltene Tinte nicht oder nur extrem langsam
austrocknet bzw. verdunstet.
[0017] Der Tintennachfüllbehälter sollte ferner aus einem vorzugsweise formsteifen Material
bestehen mit einem Füllvolumen V
0, einer Höhe h
0 und einem vorzugsweise konstanten Querschnitt Q(h) des inneren Hohlraums.
[0018] Die Erfindung sieht weiterhin vor, dass der Tintenpegel h
tnfb in dem Tintennachfüllbehälter unabhängig von dessen Befüllungszustand konstant ist.
Damit sind optimale Bedingungen geschaffen, indem ein nahezu völlig konstanter Höhenunterschied
zwischen dem Tintenpegel h
tsb in dem Tintenspeisebehälter einerseits und in dem dem Tintenpegel h
tnfb in dem Tintennachfüllbehälter andererseits eingehalten wird, so dass die Tinte um
eine vorbekannte Höhendifferenz Δh = h
tsb - h
tnfb angehoben werden muss. Entsprechend dieser Höhendifferenz Δh kann die Druckdifferenz
Δp entsprechend der Formel für den hydrostatischen Druck eingestellt werden:

bzw.

wobei ρ die spezifische Dichte der Tinte und g die Gravitationsbeschleunigung ist.
Setzt man in dieser Formel die bekannten Werte ein, bspw. g = 9,81 m/s
2; ρ 1 g/cm
3; sowie Δp ≤ p
atm 101.325 Pa, so ergibt sich ein Maximalwert für Δh von etwa 10 m. Dieser Wert wird
in der Praxis nie erreicht. Bei einem realistischen Wert für Δh von bspw. 1 m errechnet
sich ein Unterdruck Δp von etwa 10 % des atmosphärischen Drucks p
atm. Ein solcher lässt sich mit technisch einfachen Mitteln herstellen.
[0019] Der Tintenpegel in dem Tintennachfüllbehälter lässt sich unabhängig von dessen Befüllungszustand
konstant halten, wenn der Tintennachfüllbehälter in vertikaler Richtung verstellbar
ist, so dass durch Veränderung seiner Höhe eine Veränderung seines Füllungszustandes
ausgeglichen werden kann.
[0020] Eine einfache Methode, um eine Verstellung zu ermöglichen, dennoch aber stabile Arbeitspunkte
zu erhalten, besteht darin, den Tintennachfüllbehälter federnd aufzuhängen, insbesondere
an einer Spiralfeder.
[0021] Ziel ist es, den Tintennachfüllbehälter in vertikaler Richtung derart abzufedern,
dass der Pegel innerhalb des Tintennachfüllbehälters unabhängig von dessen Füllungsgrad
konstant bleibt.
[0022] Um dies zu bewerkstelligen, sollte der Tinten-Vorratsbehälter nicht nur in vertikaler
Richtung verstellbar sein, sondern durch wenigstens eine etwa vertikal wirkende Feder
mit einer von der Auslenkung ΔL = L - L
0 gegenüber ihrer Länge L
0 bei vollständig leerem Tinten-Vorratsbehälter abhängigen Federkraft

gehalten werden, wobei für die Federcharakteristik D'(L) gilt:

mit der Gravitationsbeschleunigung g,
sowie mit 0 ≤ ε
D ≤ 0,2, vorzugsweise 0 ≤ ε
D ≤ 0,1, insbesondere 0 ≤ ε
D ≤ 0,05, beispielsweise 0 ≤ ε
D ≤ 0,02.
[0023] Durch eine derartige Beziehung zwischen der spezifischen Dichte der Tinte, der Querschnittsform
des verwendeten Tintennachfüllbehälters und der zu dessen variabler Abstützung/Aufhängung
eingesetzten Feder wird erreicht, dass das Tintenniveau in dem Tintenvorratsbehälter
stets auf einer konstanten Höhe bleibt, unabhängig von der Tintenmenge in dem Behälter.
Im Allgemeinen ist hierfür wenigstens ein Federelement mit einer nichtlinearen Kennlinie
erforderlich.
[0024] Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform zeichnet sich aus durch wenigstens einen
Tintennachfüllbehälter von konstantem Querschnitt Q
0 aus einem formsteifen Material, sowie mit einer Vorrichtung zum Druckausgleich zwischen
dem Behälterinneren und seiner Umgebung, so dass der Querschnitt des Behälters unabhängig
von dessen Befüllungszustand konstant ist: Q = Q
0, wobei der Tintennachfüllbehälter in vertikaler Richtung verstellbar ist und durch
wenigstens eine etwa vertikal wirkende Feder mit der Federkonstante D gehalten wird,
wobei gilt:

mit der Gravitationsbeschleunigung g,
sowie mit 0 ≤ ε
D ≤ 0,2, vorzugsweise 0 ≤ ε
D ≤ 0,1, insbesondere 0 ≤ ε
D ≤ 0,05, beispielsweise 0 ≤ ε
D ≤ 0,02.
[0025] Hierbei handelt es sich sozusagen um einen speziellen Fall der vorangehend beschriebenen
allgemeinen Anordnung. Bei dem speziellen Fall eines konstanten Behälterquerschnitts
vereinfacht sich die Relation zwischen Federcharakteristik und Behälterquerschnitt,
und es kann eine "normale" Feder mit linearer Federcharakteristik bzw. mit einer Federkonstante
eingesetzt werden.
[0026] Die Federkonstante oder Federrate, auch Federhärte, Federsteifigkeit oder Richtgröße
(Direktionskonstante) genannt, verbindet die Auslenkung einer Feder mit der daraus
resultierenden Kraft. Nur bei einer linearen Feder ist dieser Anstieg der Kraft eine
Konstante. Für eine Feder gilt dies nur bis zur Elastizitätsgrenze.
[0027] Nach dem Hookschen Gesetz ist die rücktreibende Kraft einer Feder, genannt Federkraft,
proportional zur Verschiebung ΔL des Kraftangriffspunktes entgegen der Kraftrichtung,
sofern durch die Kraftwirkung die Feder nicht dauerhaft plastisch verformt und damit
zerstört wird (D = const.). Es gilt also die Beziehung

mit D: Federkonstante.
[0028] Die (der Federkraft entgegengesetzte) Kraft, die eine Längung der Feder bewirkt,
ist gleich dem Produkt aus Federkonstante D und dem Weg ΔL, um den sich der Kraftangriffspunkt
der Feder verschiebt. Bei einer Zug- oder Druckfeder ist dies die Längenänderung der
Feder.
[0029] Die Bestimmung einer Federkonstante erfolgt mittels eines Zugversuchs, bei dem man
eine Kraft F anlegt und die Auslenkung bzw. Längenänderung ΔL = L - L
0 in Richtung der angelegten Kraft misst. Daraus ergibt sich die Federkonstante zu

[0030] In dieser Formel kann man die Federkraft F der Gewichtskraft G = m * g gleichsetzen:
Die Federkonstante D wird üblicherweise in der Einheit Newton/Meter oder (seltener)
in Kilogramm/Sekunde2 angegeben:

[0031] Die Beschreibung einer Feder durch ihre Federkonstante ist eine in der Praxis ausreichend
genaue Näherung für das federnde Verhalten von linearen Federn.
[0032] Die Federsteifigkeit oder Federkonstante D einer Schraubenfeder berechnet sich bspw.
zu

mit
dD = Drahtdurchmesser [mm]
dF = mittlerer Federdurchmesser [mm]
n = federnde Windungen
G = Schubmodul [N/mm2] (für Federstahldraht i. d. R. 81500 N/mm2, laut DIN EN 13906-1 (2002))
[0033] Durch besondere Gestaltung (veränderlicher Windungsdurchmesser, Gummiformkörper,
Luftfedern) lassen sich jedoch Federn herstellen, deren Kraft/Weg-Zusammenhang nicht
linear ist. In diesem Fall soll im Rahmen der vorliegenden Erfindung das Kraft/Weg-Diagramm
durch seine lokale Steigung

als von der Auslenkung L = L
0 + ΔL abhängige Federcharakteristik D'(L) beschrieben werden.
[0034] Die Erfindung empfiehlt ferner, dass sich der Tintenpegel h
tnfb innerhalb des Tintennachfüllbehälters auf einem Niveau zwischen der Düsenhöhe h
d des Druckkopfs und dem Tintenpegel h
tsb im Tintenspeisebehälter befindet:

[0035] Damit kann der Unterdruck innerhalb des Speisebehälters so eingestellt werden, dass
er zwar Tinte aus dem Tintennachfüllbehälter ansaugt, nicht aber aus dem Tintenkopf:

bzw.

[0036] Es ergibt sich also folgende Ungleichung:

bzw.

[0037] Optimale Ergebnisse werden dabei erzielt, wenn sich der Tintenpegel h
tnfb innerhalb des Tintennachfüllbehälters etwa auf halber Höhe zwischen der Düsenhöhe
h
d des Druckkopfs und dem Tintenpegel h
tsb im Tintenspeisebehälter befindet:

wobei ε = 0,3, beispielsweise ε = 0,2, vorzugsweise ε = 0,1, insbesondere ε = 0,05.
Damit lässt sich der Unterdruck derart wählen, dass er zu seinen beiden Grenzwerten
einen jeweils ausreichenden Abstand einhält.
[0038] Die Erfindung lässt sich dahingehend weiterbilden, dass der Unterdruck Δp des Druckes
p
tsb in dem Tintenspeisebehälter gegenüber dem atmosphärischen Druck p
atm etwa der Höhe der Tintensäule zwischen der Düsenhöhe h
d des Druckkopfs und dem Tintenpegel h
tsb im Tintenspeisebehälter entspricht. Dies korrespondiert mit einer üblichen Bemessungsregel,
wonach sich der vorgeschriebene Tintenpegel für die Speisung eines Druckkopfs zumeist
etwa auf Höhe von dessen Düsen befinden soll, so dass also der Tintendruck im Bereich
der Düsen etwa dem atmosphärischen Druck entspricht.
[0039] Weitere Vorteile lassen sich dadurch erzielen, dass der Unterdruck Δp = p
atm-p
tsb in dem Tintenspeisebehälter gegenüber dem atmosphärischen Druck p
atm einer Differenz entspricht aus dem Druck p
ts = ρ
t * g * h
ts am unteren Ende einer Tintensäule der Höhe h
ts = h
tsb - h
d zwischen der Düsenhöhe h
d des Druckkopfs und dem Tintenpegel h
tsb im Tintenspeisebehälter einerseits und einem Offsetwert p
off andererseits, wobei der Offsetwert p
off vorzugsweise dem Druck p
off = ρ
t * g * h
off am unteren Ende einer Tintensäule der Höhe h
off = h
esp - h
d für den Betrieb des Druckkopfs empfohlenen Höhenunterschied zwischen einem empfohlenen
Tintenspeisepegel h
esp und der Düsenhöhe h
d des Druckkopfs entspricht:

wobei
ρ die spezifische Dichte der Tinte und
g die Gravitationsbeschleunigung ist.
[0040] Damit lässt sich jeder gewünschte Tintenspeisepegel h
esp bzw. Höhenoffset h
off virtuell einstellen.
[0041] Um innerhalb des Tintenspeisebehälters einen Unterdruck Δp = p
tsb - p
atm gegenüber dem atmosphärischen Druck p
atm zu erzeugen, kann an dem Tintenspeisebehälter eine Unterdruckquelle angeschlossen
sein, bspw. eine Vakuumpumpe. Diese kann bei Bedarf aktiviert werden, um einer Reduzierung
des Unterdrucks entgegenzuwirken.
[0042] Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass an der mit dem Tintenspeisebehälter gekoppelten
Unterdruckquelle ein Druckregler angeschlossen ist, insbesondere ein Präzisionsdruckregler,
um innerhalb des Tintenspeisebehälters einen Unterdruck Δp = p
tsb - p
atm gegenüber dem atmosphärischen Druck p
atm konstant zu halten, insbesondere auf einem Druckwert Δp = p
tsb - p
atm = ρ * g * (h
tsb - h
esp). Je weniger dieser Druckwert schwankt, um so präziser wird der empfohlenen Tintenspeisepegel
h
esp eingehalten, und außerdem gelten auch für die Tintennachfüllung des Tintenspeisebehälters
optimale Voraussetzungen.
[0043] Der Anschluss des Tintenspeisebehälters für die Unterdruckquelle sollte sich an der
Oberseite des Tintenspeisebehälters befinden, damit möglichst keine Tinte angesaugt
wird, was schädlich für die Vakuumpumpe sein könnte.
[0044] Andererseits empfiehlt die Erfindung, dass sich der Anschluss des Tintenspeisebehälters
für die Tintenzuleitung zu dem Druckkopf an der Unterseite des Tintenspeisebehälters
befindet. Insofern werden dort keine Luftblasen in die Tintenzuleitung zum Druckkopf
gelangen können, so dass optimale Druckergebnisse erzielbar sind.
[0045] Eine weitere Konstruktionsvorschrift besagt, dass sich der Anschluss des Tintenspeisebehälters
für die Tintenzuleitung von dem Nachfüllbehälter an der Mantelseite des Tintenspeisebehälters
befindet. Damit hält dieser Zulauf sowohl einen Abstand zu dem Anschluss für die Unterdruckquelle
als auch zu dem Ablaufanschluss zum Druckkopf ein.
[0046] Bevorzugt befindet sich der Anschluss des Tintenspeisebehälters für die Tintenzuleitung
von dem Nachfüllbehälter etwa auf halber Höhe des Tintenspeisebehälters. Dort ist
der vertikale Abstand zu dem Evakuierungsanschluss wie auch zu dem Tintenablaufanschluss
maximal.
[0047] Weitere Vorteile resultieren aus einer Bemessungsregel, wonach sich der Anschluss
des Tintenspeisebehälters für die Tintenzuleitung von dem Nachfüllbehälter etwa auf
Höhe des tatsächlichen Tintenpegels h
tsb innerhalb des Tintenspeisebehälters oder oberhalb desselben, vorzugsweise knapp oberhalb
desselben, befindet. Von dort gelangt die Tinte unmittelbar zu dem Tintenreservoir
innerhalb des Tintenspeisebehälters und muss nicht zunächst auf ein - deutlich - höheres
Niveau angehoben werden.
[0048] Schließlich entspricht es der Lehre der Erfindung, dass keine Tintenpumpe vorhanden
ist, weder in der Zuleitung vom Tintennachfüllbehälter zum Tintenspeisebehälter noch
in der Zuleitung vom Zwischenbehälter zum Druckkopf. Da nach der Lehre der Erfindung
ein steuerbares Ventil in der Zuleitung vom Tintennachfüllbehälter zum Tintenspeisebehälter
alleine völlig ausreichend ist, um die Nachspeisung zu bewirken, kann auf eine Tintenpumpe
völlig verzichtet werden. Die Tinte kann von einem Tintenvorratsbehälter unter dem
Einfluss der Gewichtskraft in den Tintennachfüllbehälter fließen, wobei dazu ebenfalls
ein steuerbares Ventil ausreichend ist; von dem Tintennachfüllbehälter gelangt die
Tinte bei Bedarf in dem Tintenspeisebehälter allein unter dem Einfluss des dortigen
Unterdrucks; und zum Druckkopf fließt die Tinte wiederum unter dem Einfluss der Gewichtskraft.
[0049] Weitere Merkmale, Einzelheiten, Vorteile und Wirkungen auf der Basis der Erfindung
ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung sowie anhand der Zeichnung. Deren einzige Figur zeigt eine erfindungsgemäße
Nachfülleinrichtung für Tintenvorratsbehälter einer Druckeinrichtung in einer schematischen
Ansicht.
[0050] Man erkennt eine komplette Tintenversorgungseinrichtung 1 für den Druckkopf 2 einer
Druckvorrichtung zum Bedrucken eines flächigen Substrats 3 mit Tinte 4, wobei es sich
beispielsweise um einen Tintenstrahldruckkopf handeln kann.
[0051] Nicht dargestellt sind weitere Einzelheiten der Druckvorrichtung, beispielsweise
zum horizontalen Bewegen des Druckkopfs 2 über das Substrat 3, zur elektrischen Ansteuerung
der Düsen des Druckkopfs 2 oder zur Festlegung des zu bedruckenden Substrats 3 auf
einem Tisch od. dgl.
[0052] Der Druckkopf 2 druckt im Allgemeinen nach unten auf das dortige Substrat 3. Dazu
befinden sich die Düsen des Druckkopfs 2 in einem geringen vertikalen Abstand oberhalb
des Substrats 3 auf einer Höhe h
d. Da es im Folgenden auf den Abstand zwischen den Düsen des Druckkopfs 2 und dem Substrat
3 nicht ankommt, soll im Folgenden die Höhe h
d der Düsen des Druckkopfs 2 als Nullpunkt festgelegt werden:

[0053] Gespeist wird der Druckkopf 2 mit Tinte 4 über eine Tintenspeiseleitung 5 aus einem
Tintenspeisebehälter 6. Dieser ist luftdicht abgeschlossen und daher von außen nicht
zugänglich, auch nicht zum Nachfüllen. An einem oberseitigen Anschluss 7 des Tintenspeisebehälters
6 ist über eine druckfeste Leitung 8 eine Unterdruckquelle 9, bspw. in Form einer
Vakuumpumpe, angeschlossen. Diese sorgt dafür, dass innerhalb des Tintenspeisebehälters
6 ein Unterdruck Δp = p
atm - p
tsb herrscht, d.h., der Druck p
tsb innerhalb des Tintenspeisebehälters 6 liegt unterhalb des atmosphärischen Luftdrucks
p
atm in der Umgebung:

[0054] Da eine manuelle Befüllung des Tintenspeisebehälters 6 mangels Zugang zu diesem nicht
möglich ist, erfolgt die Nachfüllung aus einem Tintennachfüllbehälter 10 durch eine
Zuleitung 11, worin sich ein steuerbares Ventil 12 befindet.
[0055] Der Tintennachfüllbehälter 10 ist nicht luftdicht geschlossen, sondern kommuniziert
mit seiner Umgebung durch eine vorzugsweise kleine Öffnung, so dass im Tintennachfüllbehälter
10 Atmosphärendruck p
atm herrscht.
[0056] Ferner ist der Tintennachfüllbehälter 10 nicht ortsfest fixiert, sondern mittels
wenigstens einem Federelement 13 in vertikaler Richtung beweglich aufgehängt, beispielsweise
an einem Ständer, Chassis 14 oder sonstigen Maschinenteil. Das Federelement 13 ist
vorzugsweise als an dem Tintennachfüllbehälter 10 oben etwa mittig angebrachte Zugfeder
ausgebildet, insbesondere as Spiral- oder Schraubenfeder. Der Tintnennachfüllbehälter
10 kann zusätzlich in vertikaler Richtung geführt sein, um Schwingungen möglichst
zu vermeiden.
[0057] Alternativ zu einer oberseitigen Zugfeder wäre es auch möglich, den Tintennachfüllbehälter
10 vertikal beweglich zu führen und das Federelement 13 unterhalb desselben anzuordnen
und als vertikal nach oben wirkende Druckfeder auszubilden, bspw. als Spiral- oder
Schraubenfeder.
[0058] Der Tintennachfüllbehälter 10 seinerseits kann aus einem Tintenvorratsbehälter 15
gespeist werden, nämlich durch eine Zuleitung 16 zwischen dem Tintenvorratsbehälter
15 und dem Tintennachfüllbehälter 10, worin sich vorzugsweise ein Ventil 17 befindet.
[0059] Der Tintenvorratsbehälter 15 kann ortsfest fixiert sein und kommuniziert vorzugsweise
mit der Umgebung, befindet sich also unter atmosphärischem Druck. Auch kann der Tintenvorratsbehälter
nachfüllbar sein, beispielsweise über eine oberseitige, vorzugsweise verschließbare
Öffnung, und/oder er kann austauschbar sein, um nach vollständiger Entleerung ersetzt
zu werden. Für den Tintenvorratsbehälter 15 gelten kaum Randbedingungen; er stellt
die Schnittstelle zum Bedienpersonal dar, wo dieses bei Bedarf für Tintennachschub
zu sorgen hat, entweder durch Nachfüllen des Tintenvorratsbehälters 15 bspw. aus einer
Kanne oder einem Kanister, oder durch Ersetzen desselben. Auch kann der Tintenvorratsbehälter
15 eine nahezu beliebige Form aufweisen oder gar aus einem flexiblen, bspw. tütenartigen
Behältnis bestehen.
[0060] Im Gegensatz dazu sollte der Tintennachfüllbehälter 10 aus einem steifen Material
bestehen und eine festgelegte Form aufweisen mit einem konstanten Volumen und mit
einer vorgegebenen Grundfläche und Höhe, wobei sich seine Querschnittsfläche Q
0 entlang seiner Höhe nicht ändern sollte.
[0061] Aufgrund seiner vertikal beweglichen Aufhängung mittels eines Federelements 13 kann
sich der Tintennachfüllbehälter 10 in vertikaler Richtung bewegen. Je weiter er gefüllt
ist, um so weiter wird sein Gewicht das Federelement 13 nach unten auslenken.
[0062] Dabei ist angestrebt, dass die Federkonstante D des Federelements 13 möglichst derart
eingestellt ist, dass möglichst exakt die folgende Bedingung erfüllt ist:

wobei ρ der spezifischen Dichte der verwendeten Tinte 4 entspricht, g der Gravitationsbeschleunigung
entspricht, und Q
0 dem kontanten horizontalen Querschnitt des Tintennachfüllbehälters 10.
[0063] Eine solche Bemessung hat zur Folge, dass beim Auffüllen von Tinte 4 in den Tintennachfüllbehälter
10 aus dem Tintenvorratsbehälter 15 das dadurch proportional zur eingefüllten Tintenmenge
vergrößerte Gewicht ΔG das Federelement 13 gerade um ein Maß Δx in vertikaler Richtung
nach unten auslenkt, so dass der - innerhalb des Tintennachfüllbehälters 10 relativ
zu diesem gestiegene - Tintenpegel h
tnfb absolut bzw. relativ zu dem festen Bezugswert h
d = 0 konstant bleibt. Das bedeutet, egal, ob und wann der Tintennachfüllbehälter 10
nachgefüllt wird, bleibt sein Tintenpegel h
tnfb absolut stets konstant. Dies gilt natürlich auch für eine Entleerung desselben beim
Nachfüllen von Tinte 4 in den Tintenspeisebehälter 6 - auch dabei bleibt der Tintenpegel
h
tnfb absolut konstant, obwohl sich der Tintennachfüllbehälter 10 in Wahrheit teilweise
entleert.
[0064] An den beiden Enden der Nachfüllleitung 11 zwischen Tintennachfüllbehälter 6 und
Tintenspeisebehälter 10 liegen hier also stets konstante Druckwerte an, nämlich der
Umgebungsdruck p
atm im Tintennachfüllbehälter 6 und der demgegenüber reduzierte Druck p
tsb in dem Tintenspeisebehälter 10. Die Druckdifferenz Δp = p
atm - p
tsb ist also ebenfalls stets konstant.
[0065] Dabei ist zu beachten, dass nicht nur die beiden Drucke p
tnfb = p
atm, p
tsb konstant sind, sonder auch beide Flüssigkeitspegel h
tnfb, h
tsb. Das bedeutet, dass - auch wenn die Nachfüllleitung 11 nicht exakt auf Höhe dieser
Pegel h
tnfb, h
tsb endet, sondern bspw. am unteren Ende des Nachfüllbehälters 10, die Tinte 4 dennoch
nur um den Wert h
tsb - h
tnfb angehoben werden muss, wo eben genau die konstanten Druckverhältnisse p
atm, p
tsb gelten und nicht etwa ein hydrostatisch erhöhter Druck.
[0066] Der Unterdruck Δp innerhalb des Tintenspeisebehälters 6 wird von der Vakuumpumpe
9 auf einen Wert geregelt, welcher die folgende Ungleichung erfüllt:

[0067] Dadurch ist gewährleistet, dass der Saugdruck Δp innerhalb der Nachfüllleitung 11
größer ist als das Gewicht der dortigen Tintensäule, so dass bei geöffnetem Ventil
12 Tinte 4 von dem Nachfüllbehälter 10 in den Tintenspeisebehälter 6 gesogen wird.
[0068] Andererseits ist der Saugdruck Δp innerhalb der Speiselleitung 5 kleiner als das
Gewicht der dortigen Tintensäule, so dass trotz ständig geöffneter Speiseleitung 5
- in dieser befindet sich im Normalfall kein Ventil - keine Tinte 4 von dem Druckkopf
2 in den Tintenspeisebehälter 6 zurück gesogen wird.
[0069] Dies wird unter anderem dadurch gewährleistet, dass für den Tintenpegel h
tnfb innerhalb des Tintennachfüllbehälters 10, der Düsenhöhe h
d des Druckkopfs 2 und dem Tintenpegel h
tsb im Tintenspeisebehälter 6 folgende Ungleichung erfüllt wird:

mit anderen Worten, der mittels der Feder 11 konstant gehaltene Pegel h
tnfb innerhalb des Tintennachfüllbehälters 10 liegt oberhalb des Niveaus h
d der Düsen des Druckkopfs 2, und der ebenfalls konstante Pegel h
tsb innerhalb des Tintenspeisebehälters 6 liegt seinerseits oberhalb dem Pegel h
tnfb innerhalb des Tintennachfüllbehälters 10.
[0070] Unter all diesen Voraussetzungen ist es nun möglich, die Nachfüllung des Tintenspeisebehälters
6 aus dem Tintennachfüllbehälter 6 einzig dadurch zu bewirken, dass das steuerbare
Ventil 12 in der Nachfüllleitung 11 geöffnet wird.
[0071] Dies wiederum eröffnet die Möglichkeit, den Pegelstand h
tsb innerhalb des Tintenspeisebehälters 6 mittels eines Sensors zu erfassen und das Ventil
12 gemäß einem geeigneten Regelalgorithmus anzusteuern, beispielsweise gemäß einer
Zweipunktregelung, aber auch gemäß einem P- oder PI- oder PID-Regler oder gemäß einer
digitalen Regelfunktion. Dabei setzt der Tintenfluss unmittelbar mit Öffnung des Ventils
12 und damit nahezu verzögerungsfrei ein und kann ebenso abrupt wieder unterbrochen
werden, einfach durch Schließen des Ventils 12. Dies wiederum hat zur Folge, dass
die Nachfüllung weitaus sensibler erfolgen kann als mittels einer trägen Pumpvorrichtung.
Beispielsweise können bei einer Zweipunktregelung die Ein- und Ausschalt-Grenzwerte
viel näher beieinander liegen als bei einer herkömmlichen Nachfülleinrichtung mittels
einer Tintenpumpe. Damit sind auch die Nachspeiseintervalle viel kleiner und auch
die Dauer einer Nachspeisung, mithin ist eine Schwankung des Pegels h
tsb innerhalb des Tintenspeisebehälters 6 kaum mehr feststellbar. Dies wiederum hat optimale
und konstante Verhältnisse für den Druckkopf 2 zur Folge und zeitigt damit ein optimales
Druckergebnis.
Bezugszeichenliste
[0072]
- 1
- Tintenversorgungseinrichtung
- 2
- Druckkopf
- 3
- Substrat
- 4
- Tinte
- 5
- Tintenspeiseleitung
- 6
- Tintenspeisebehälter
- 7
- Anschluss
- 8
- Leitung
- 9
- Unterdruckquelle
- 10
- Tintennachfüllbehälter
- 11
- Nachfüllleitung
- 12
- Ventil
- 13
- Federelement
- 14
- Chassis
- 15
- Tintenvorratsbehälter
- 16
- Zuleitung
- 17
- Ventil
1. Einrichtung (1) zur Versorgung des Druckkopfs (2) einer Druckvorrichtung, insbesondere
eines Tintenstrahldruckers, mit Tinte (4), umfassend einen mit dem Druckkopf (2) über
eine Tintenzuleitung (5) verbundenen Tintenspeisebehälter (6) sowie einen mit dem
Tintenspeisebehälter (6) über eine weitere Leitung (11) verbundenen Tintenachfüllbehälter
(10),
dadurch gekennzeichnet, dass der Tintenspeisebehälter (6)
a) luftdicht abgeschlossen ist und
b) mit einem Unterdruck (Δp = patm - ptsb) gegenüber dem atmosphärischen Druck (patm) beaufschlagt ist, welcher derart eingestellt ist, dass er in der Lage ist, Tinte
(4) von dem Tintennachfüllbehälter (10) anzusaugen.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Leitung (11) zwischen dem Tintenspeisebehälter (6) und einem Tintennachfüllbehälter
(10) ein vorzugsweise steuerbares Ventil (12) vorgesehen ist, insbesondere in Form
eines elektrisch ansteuerbaren Magnetventils.
3. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Tintenspeisebehälter (6) auf einer festen Höhe installiert ist, bezogen auf die
Höhe des Druckkopfs (2).
4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Tintenspeisebehälter (6) auf einem Niveau oberhalb des Druckkopfs (2) befindet,
wobei sich der Boden des Tintenspeisebehälters (6) bevorzugt auf einem Niveau von
wenigstens 10 cm oberhalb der Düsen des Druckkopfs (2) befindet, vorzugsweise wenigstens
20 cm oberhalb der Düsen, insbesondere wenigstens 30 cm oberhalb der Düsen.
5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Tintenpegel (htnfb) in dem Tintennachfüllbehälter (10) unabhängig von dessen Befüllungszustand konstant
ist, insbesondere indem der Tintennachfüllbehälter (10) in vertikaler Richtung derart
abgefedert ist.
6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Tintennachfüllbehälter (10) in vertikaler Richtung federnd aufgehängt ist, insbesondere
an einer Spiralfeder (13), wobei die Federkonstante (D) der Federung vorzugsweise
derart eingestellt ist, dass gilt:

mit der spezifischen Dichte ρ der Tinte (4),
mit der Gravitationsbeschleunigung g,
mit der Querschnittsfläche (Q
0) des Tintennachfüllbehälters (10),
sowie mit 0 ≤ ε
D ≤ 0,2, vorzugsweise 0 ≤ ε
D ≤ 0,1, insbesondere 0 ≤ ε
D ≤ 0,05, beispielsweise 0 ≤ ε
D ≤ 0,02.
7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass sich der Tintenpegel (h
tnfb) innerhalb des Tintennachfüllbehälters (10) auf einem Niveau zwischen dem Druckkopf
(2) und dem Tintenspeisebehälter (6) befindet, vorzugsweise etwa auf halber Höhe zwischen
der Düsenhöhe (h
d) des Druckkopfs (2) und dem Tintenpegel (h
tsb) im Tintenspeisebehälter (6):

wobei ε = 0,3, beispielsweise ε = 0,2, vorzugsweise ε = 0,1, insbesondere ε = 0,05.
8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterdruck (Δp) des Druckes (ptsb) in dem Tintenspeisebehälter (6) gegenüber dem. atmosphärischen Druck (patm) etwa dem hydrostatischen Druck der Höhe der Tintensäule zwischen der Düsenhöhe (hd) des Druckkopfs (2) und dem Tintenpegel (htsb) im Tintenspeisebehälter (6) entspricht oder betragsmäßig geringer ist als jener.
9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Unterdruck (Δp) des Druckes (p
tsb) in dem Tintenspeisebehälter (6) gegenüber dem atmosphärischen Druck (p
atm) einer Differenz entspricht aus dem Druck (p
ts = ρ
t * g * h
ts) am unteren Ende einer Tintensäule der Höhe (h
ts = h
tsb - h
d) zwischen der Düsenhöhe (h
d) des Druckkopfs (2) und dem Tintenpegel (h
tsb) im Tintenspeisebehälter (6) einerseits und einem Offsetwert (p
off) andererseits, wobei der Offsetwert (p
off) vorzugsweise dem Druck (p
off = ρ * g * h
off) am unteren Ende einer Tintensäule von der Höhe (h
off = h
esp - h
d) des für den Betrieb des Druckkopfs (2) empfohlenen Höhenunterschiedes zwischen einem
empfohlenen Tintenspeisepegel (h
esp) und der Düsenhöhe (h
d) des Druckkopfs (2) entspricht:

wobei
ρ die spezifische Dichte der Tinte (4) und
g die Gravitationsbeschleunigung ist.
10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Tintenspeisebehälter (6) eine Unterdruckquelle (9) angeschlossen ist, um innerhalb
des Tintenspeisebehälters (6) einen Unterdruck (Δp = ptsb - patm) gegenüber dem atmosphärischen Druck (patm) zu erzeugen.
11. Einrichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass an der mit dem Tintenspeisebehälter (6) gekoppelten Unterdruckquelle (9) ein Druckregler
angeschlossen ist, insbesondere ein Präzisionsdruckregler, um innerhalb des Tintenspeisebehälters
(6) einen Unterdruck (Δp = p
tsb - p
atm) gegenüber dem atmosphärischen Druck (p
atm) konstant zu halten, insbesondere auf einem Druckwert
12. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Anschluss (7) des Tintenspeisebehälters (6) für die Unterdruckquelle (9)
an der Oberseite des Tintenspeisebehälters (6) befindet.
13. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Anschluss des Tintenspeisebehälters (6) für die Tintenspeiseleitung (5)
zu dem Druckkopf (2) an der Unterseite des Tintenspeisebehälters (6) befindet.
14. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Anschluss des Tintenspeisebehälters (6) für die Tintennachfüllleitung (11)
von dem Tintennachfüllbehälter (10) an der Mantelseite des Tintenspeisebehälters (6)
befindet, vorzugsweise etwa auf halber Höhe des Tintenspeisebehälters (6), und/oder
etwa auf Höhe des Tintenpegels (htsb) innerhalb des Tintenspeisebehälters (6).
15. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass keine Tintenpumpe vorhanden ist, weder in der Tintennachfüllleitung (11) vom Tintennachfüllbehälter
(10) zum Tintenspeisebehälter (6) noch in der Speiseleitung (5) vom Tintenspeisebehälter
(6) zum Druckkopf (2).