Картридж термоструйной печатающей головки
Изобретение относится в области печатной техники, а более конкретно к печатающим устройствам (принтерам) с термоструйной печатающей головкой. Изобретением решается задача создания катриджа термоструйной печатающей головки принтера, обеспечивающего высококачественную печать за счет равномерности подачи чернил в течение всего периода эксплуатации и содержащего минимальное число элементов для технологичности при промышленном производстве. Картридж термоструйной печатающей головки содержит резервуар для чернил, в котором поддерживается стабильное отрицательное давление. Для поддержания стабильного отрицательного давления в резервуаре использован единый элемент, выполняющий одновременно функции стенок резервуара и регулятора отрицательного давления в резервуаре. В качестве такого элемента используют мешок из плечного материала, непроницаемого для чернил. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к области печатной техники, а более конкретно к печатающим устройствам (принтерам) с термоструйной печатающей головкой, в которую подаются жидкие чернила из контейнера (картриджа).
В известных струйных печатающих устройствах, использующих рабочую жидкость (inkjet printers), процесс печати осуществляется за счет подачи капель чернил, поступающих из сопла печатающей головки. Запас чернил хранится в резервуаре, который выполняет две основные функции: предохранение чернил от высыхания и обеспечение постоянства потока чернил в печатающую головку. Ряд известных технических решений в этой области (см. патент США №5767882 [I], патент США №5757406 [2]) предусматривают наличие у картриджа жесткого наружного корпуса, который предохраняет от механических повреждений внутренний резервуар для чернил, выполненный из непроницаемой для чернил и воздуха пленки, а также служит для крепления картриджа на каретке принтера. Внутренний герметизированный резервуар имеет закрытое пробкой отверстие, через которое резервуар заполняется чернилами, а также перекрытый сетчатым фильтром канал для дозированного выхода чернил в сопловую пластину (Nozzle Plate). Таким образом, первую проблему - предохранения чернил от высыхания - достаточно просто решает герметизация резервуара и защита его наружным корпусом от внешних повреждений.
Вторая проблема является более сложной. Действительно, для обеспечения равномерности потока следует учитывать такие факторы, как атмосферное давление, капиллярные силы в соплах печатающей головки, объем рабочей жидкости, ее вязкость и т. п. Фирма Hewlett-Packard после интенсивных исследований пришла к выводу о том, что для оптимальной работы печатающей головки термоструйного типа необходимо создавать и поддерживать в резервуаре постоянное разрежение (зону обратного давления), препятствующее неконтролируемому вытеканию рабочей жидкости через сопла-капилляры. Это было реализовано с помощью системы спиральных пружин и распорок [1], а также с применением пластинчатых пружин и распорок [2].
Поскольку, с точки зрения технологичности производства, использование пластинчатых пружин имеет определенные преимущества, конструкция [2] была выбрана в качестве прототипа.
Картридж, описанный в [2], состоит из элементов, представленных на Фиг. 4, а именно из жесткого корпуса (элементы 12, 14, 16), чернильной камеры, состоящей из элементов 20, 22, 24, в которой, по мере убывания чернил, поддерживается отрицательное давление, способствующее созданию равномерного потока чернил и предотвращающее утечку чернил в нерабочем состоянии. Для выполнения данной функции чернильная камера снабжена парой изогнутых (серповидных) пластинчатых пружин, обращенных вогнутыми сторонами друг к другу и распирающих резервуар изнутри, что обеспечивает определенную стабильность в поддержании требуемой степени отрицательного давления. Передача отрицательного давления на стенки резервуара осуществляется с помощью системы жестких прокладок, расположенных с внутренней стороны стенок чернильной камеры (элементы 40, 50, 60). Хотя эта конструкция в значительной мере решает задачу поддержания отрицательного давления в чернильной камере в процессе эксплуатации картриджа, она, тем не менее, отличается сложностью конструкции (содержит более 10 элементов) и недостаточно технологична (требует высокой точности в сборке и герметичности большого числа швов).
В предлагаемом изобретении решается задача создания такой конструкции картриджа термоструйной печатающей головки принтера, которая обладала бы всеми положительными чертами картриджа, описанного в [2], но превосходила его по технологичности при массовом промышленном производстве.
Для достижения такого результата в картридже термоструйной печатающей головки, состоящем из жесткого основания, жесткого корпуса, герметичного гибкого резервуара для чернил, поддержание стабильного отрицательного давления в чернильной камере до ее максимального опорожнения осуществляется за счет конструктивных особенностей упругих стенок герметичного гибкого резервуара для чернил.
Конструкция предлагаемого картриджа, представленная на Фиг. 1, как и прототип [2], предполагает наличие внешнего жесткого корпуса 7, основными функциями которого являются защита чернильной камеры от механических повреждений и обеспечение стыковки с разными типами печатающей головки принтера, чернильной камеры 4, жесткого основания 1 корпуса 7 и устройства 6 для создания отрицательного давления. Поскольку конструкция и форма внешнего жесткого корпуса 7 и его жесткого основания 1 зависят лишь от типа печатающей головки, для которой предназначен данный картридж, то в решении поставленной задачи они имеют второстепенное значение. Основные отличия от прототипа [2] заключаются в конструкции устройства 6 для создания и поддержания отрицательного давления, а также в конструкции чернильной камеры 4. Как показано на Фиг. 1 устройство 6 представляет собой упругую конструкцию определенной формы, а именно, арочного типа с пружинящими боковыми стенками, обеспечивающими создание отрицательного давления в резервуаре. Характерной особенностью предлагаемой конструкции является замена многочисленных силовых элементов (пружин, прокладок и распорок), призванных поддерживать относительно стабильное отрицательное давление в чернильной камере, единым элементом, выполняющим одновременно функции регулятора отрицательного давления в чернильной камере 4 и функции каркаса для стенок чернильной камеры 4.
Сложная конструкция чернильной камеры прототипа [2], содержащая несколько герметизирующих швов и внутреннее устройство для поддержания отрицательного давления, заменена на камеру 4 в форме мешка, выполненного из материала, непроницаемого для чернил, а устройство для поддержания отрицательного давления размещено не внутри, а снаружи чернильной камеры.
Предлагаемый картридж (Фиг. 1) содержит следующие элементы: жесткое основание 1, герметизирующая пробка 2, сетчатый фильтр 3, чернильная камера 10 с отверстиями 4 и 5 для заправки и расхода чернил соответственно, арочная пружинная конструкция 6 и жесткий наружный корпус 7.
Принцип функционирования картриджа заключается в следующем:
- при подготовке (заправке) картриджа рабочую жидкость (чернила, краску) заливают в резервуар через отверстие для заправки чернил с таким расчетом, чтобы резервуар был заполнен полностью, и закрывают заливное отверстие герметизирующей пробкой, после чего часть воздушной подушки (т.е. того объема резервуара, который остается незаполненным чернилами) откачивают вакуумным насосом, создавая в чернильном резервуаре отрицательное давление (разрежение);
- по мере расходования чернил перепад давлений внутри и снаружи резервуара имеет тенденцию к увеличению, однако, силовой элемент картриджа - упругие стенки 6 - препятствует преждевременному схлопыванию резервуара и поддерживает оптимальное отрицательное давление в резервуаре, что обеспечивает равномерный поток чернил и, как следствие, качественную печать;
- на заключительной стадии, т.е. к моменту истечения основного объема рабочей жидкости (чернил), упругое сопротивление стенок 6 изменяется за счет того, что в процессе расхода чернил стенки 6 приобретают иную форму и сопротивление обеспечивается специально ослабленными (например, меньшими по толщине) участками упругих стенок 6, что позволяет стенкам 6 достичь состояния схлопывания и выпуска оставшейся части чернил.
В числе конструктивных особенностей предлагаемого устройства необходимо отметить следующие.
Проблему изготовления упругой стенки 6, обладающей заданными параметрами, т. е. неравномерной упругостью, предлагается решить за счет выполнения каркаса арочной формы из полимерной пластины одинаковой толщины, т. е. обладающей равномерной упругостью, при этом такая пластина армируется путем наклеивания или наваривания преимущественно в непосредственной близости от торцевых граней, предварительно напряженных пластин-накладок, создающих усилие, противодействующее преждевременному схлопыванию чернильной камеры, которая прикреплена с внутренней стороны арки.
На Фиг. 2 приведен вид резервуара сбоку, где 6 - тонкая упругая полимерная пластина, 8 - отбортовка для крепления пластины 6 к 5 жесткому основанию наружного корпуса, 9 - предварительно напряженные накладки на пластину 6.
На Фиг. 3 приведен вид внутреннего устройства картриджа по разрезу А-А, на котором 10 - чернильная камера, 6 - тонкая полимерная упругая пластина, 8 - отбортовка, 9 - предварительно напряженные накладки.
Таким образом, чернильная камера 10, выполненная из непроницаемой для воздуха и чернил полимерной пленки (для повышения надежности рекомендуется использование двух- или трехслойной пленки, у которой один из слоев металлизирован и особенно стоек к воздействию чернил, а наружный слой является термопластичным и легко поддается сварке), прикрепляется к жесткому основанию 1 (Фиг.1) по периметру и имеет отверстия напротив заливного отверстия и выпускного канала. Камера 10 помещена в арочную конструкцию, образованную тонкой упругой пластиной 6, основание которой (отбортовка 8) приклеено или иным способом прикреплено к жесткому основанию 1. Широкие боковые стенки резервуара-мешка 10 приклеены или иным способом прикреплены к внутренней поверхности каркаса, которым служит тонкая упругая пластина 6. К наружной поверхности тонкой упругой пластины 6 прикреплены, предпочтительно вблизи торцевых краев, предварительно напряженные накладки 9, упругость которых подобрана таким образом, чтобы препятствовать самопроизвольному истечению чернил под влиянием капиллярных сил, т.е. накладки 9, совместно с пластиной 6, предназначены для создания относительно стабильного отрицательного давления в чернильной камере 10. Пластины - накладки 9 закрывают менее половины площади наружной поверхности тонкой упругой пластины 6, оставляя среднюю часть пластины 6 свободной. Этим достигается эффект неравномерной упругости. Для более плавного изменения степени упругости от торца к середине пластины 6 накладки 9 могут выполняться не прямоугольными, а фигурными, например в виде опрокинутой на бок греческой буквы “омега”, при этом закругленные вершины накладок 9 перекрывают часть свободной серединной зоны пластины 6 и форма их подбирается в зависимости от коэффициента упругости используемых для изготовления накладок 9 материалов.
Как и в прототипе [2] при разработке конструкции в качестве “относительно стабильного отрицательного давления” был принят диапазон давлений от 250 до 3000 Па. Таким образом, предлагаемая конструкция рассчитана на диапазон рабочих давлений в камере 10
Рmin<Р<Рmax=0.97Р0 и Pmaх=0.997Р0.
Форма предварительно напряженных накладок 9 и, соответственно, кривизны стенок 6 описывается формулой:
r
| -1 |
| 0 |
где s - переменная величина, определяющая положение текущей точки профиля упругой стенки 6 вдоль ее образующей;
r
| -1 |
| 0 |
k и n - коэффициенты, выбираемые из условий обеспечения наилучших характеристик регулирования рабочего давления в камере 10 и определяющие полный перепад толщины и заданный профиль изменения толщины в комбинации тонкой упругой стенки 6 и накладок 9 соответственно;
Q - коэффициент, зависящий от максимального рабочего давления в камере 10, свойств материала и толщины накладок 9.
Описанная конструкция функционирует следующим образом.
В процессе производства картриджа осуществляют его заправку рабочей жидкостью (чернилами), заливают в камеру 10 через отверстие для заправки чернил с таким расчетом, чтобы камера 10 была заполнена полностью, и закрывают заливное отверстие герметизирующей пробкой 2, после чего часть воздушной подушки (т.е. того объема камеры 10, который остается незаполненным чернилами) откачивают, создавая в чернильной камере отрицательное давление (разрежение).
В процессе эксплуатации картриджа и уменьшения объема чернил в камере 10 перепад давлений внутри и снаружи камеры имеет тенденцию к увеличению, однако, силовой элемент картриджа - упругие стенки, состоящие из скрепленных между собой слоев 6 и 9 - препятствует преждевременному схлопыванию резервуара и поддерживает оптимальное отрицательное давление в камере. При этом внешнему (атмосферному) давлению противостоят тонкая стенка 6 и накладки 9.
Таким образом, в процессе расхода чернил ничем не армированные торцевые стороны камеры 10 ведут себя неопределенно из-за давления чернил и внешнего атмосферного давления (в виде гофры), затем сближаются серединные области широких боковых сторон камеры 10, которые состоят из внутреннего герметизирующего слоя, тонкой упругой пластины 6 и накладок 9.
Для того, чтобы усиленные упругой пластиной 6 боковые стороны камеры 10 сближались более плавно, используют накладки 9 фигурной формы, например, с отводом в серединную область боковых сторон камеры 10.
Описанная конструкция обеспечивает равномерный и, практически, полный выход чернил из камеры. При этом обеспечена высокая технологичность изготовления и сборки всех элементов, образующих собственно камеру для чернил и устройство для поддержания отрицательного давления в процессе эксплуатации картриджа.
1. Картридж термоструйной печатающей головки, включающий наружный корпус, размещенную в наружном корпусе чернильную камеру, закрепленную на жестком основании и снабженную устройством для поддержания в резервуаре отрицательного давления, отличающийся тем, что чернильная камера выполнена в виде мешка из плечного материала, непроницаемого для чернил, две широкие боковые стороны которого по всей площади соприкосновения скреплены с тонкими упругими пластинами, выполненными в виде арки из упругого материала и армированными предварительно напряженными пластинами-накладками, препятствующими схлопыванию камеры.
2. Картридж термоструйной печатающей головки по п.1, отличающийся тем, что предварительно напряженные пластины-накладки расположены у внешних краев тонких упругих пластин, оставляя свободной среднюю часть тонких упругих пластин.
3. Картридж термоструйной печатающей головки по п.2, отличающийся тем, что каждая из предварительно напряженных пластин накладок имеет отвод в серединную область боковых сторон камеры.
