專利名稱：墨盒排氣方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種噴墨打印系統(tǒng)，特別是一種采用墨盒的噴墨打印系統(tǒng)，所述墨盒受壓以能夠進行高速打印。
噴墨打印機通常采用安裝在掃描滑架上的噴墨打印頭，所述滑架沿例如紙張等打印介質(zhì)來回移動。打印頭包括一個正對打印介質(zhì)的噴射部分。該噴射部分響應(yīng)來自與打印系統(tǒng)相連的控制系統(tǒng)的信號，用于選擇性地將墨滴噴射到打印介質(zhì)上。所述滑架帶動噴射器沿打印介質(zhì)掃描以打印出一行。然后，介質(zhì)被送進而讓噴射器打印另一行。在這種方式下，連續(xù)行的墨滴構(gòu)成了打印介質(zhì)上的圖像和文字。
在打印介質(zhì)上形成的圖像具有高打印質(zhì)量是很重要的。在很大程度上，打印質(zhì)量取決于打印頭的正確工作。打印頭通常包括一個內(nèi)部容器，該容器與噴射器流體相通。對于噴射部分的正確操作來說，關(guān)鍵因素是內(nèi)部容器中的墨水相對于大氣壓的流體壓力，這一壓力稱為表壓。壓力調(diào)節(jié)裝置通常包括在打印頭中，用于控制內(nèi)部容器中的表壓。
以前，一些打印機采用可從打印頭上單獨更換的墨盒。當(dāng)墨盒排空后，該墨盒能夠被移出和更換。使用這種單獨更換的墨盒能使打印進行到打印頭壽命已盡的時候。
有一些打印機還通過采用“不在滑架上”的墨盒，其中墨盒位于掃描滑架之外。這些不在滑架上的墨盒通常與打印頭內(nèi)部容器通過管道而流體相通。采用這種不在滑架上的墨盒能夠減輕滑架重量，使得滑架更為緊湊，所需的移動動力更小，從而可用更小的滑架電機來驅(qū)動滑架運動。第5,650,811號專利描述了這樣一種結(jié)構(gòu)，即它包括一個與管道相連的墨盒，所述管道再依次與打印頭的壓力調(diào)節(jié)器相連。該壓力調(diào)節(jié)器保證了打印頭的噴射部分在適當(dāng)?shù)膲毫ο陆邮漳?br> 為了使調(diào)節(jié)器正確地控制壓力，打印系統(tǒng)采用能向打印頭提供壓力墨水的墨盒。為了保證打印頭正確工作，以等于或者大于打印頭工作壓力的壓力向打印頭輸送墨水是很重要的。此后，調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)供應(yīng)給噴射部分的液體壓力，以保證打印頭正確工作。采用調(diào)節(jié)器和供應(yīng)壓力墨水能夠適應(yīng)于多種設(shè)計形式、布局和環(huán)境因素，比如壓力液滴量、打印頭和所供應(yīng)墨水的相對高度和大氣壓的變化等。
以前所用的噴墨打印系統(tǒng)為多種原因而采用壓力墨水。使用壓力墨水的噴墨部件或者噴墨系統(tǒng)的實例在Kimura等人的第4,558,326號和Rosback的第4,568,954號美國專利中有所描述。
壓力墨水墨盒的一個問題是內(nèi)部壓力對在墨盒材料的影響。可更換的墨盒最好用廉價材料制造，例如塑料。而持續(xù)的內(nèi)部壓力會使這些材料發(fā)生永久變形。如果這種變形足夠大，可能會使墨盒無法使用。墨盒怎樣變得無法使用的一個實例是，這種變形阻礙了墨盒裝進噴墨打印系統(tǒng)的墨盒接收槽。
對于墨盒受壓且不在滑架上的噴墨打印系統(tǒng)中使用的墨盒來說，一直存在一個需要，即這些墨盒應(yīng)能夠在不變形或者泄漏的情況下使用。另外，這些墨盒應(yīng)造價低以降低墨水裝置的價格。
本發(fā)明是一種用于向噴墨打印系統(tǒng)供應(yīng)墨水的可更換墨盒。該墨盒包括一個用于向墨水施壓的壓力罐。該墨盒具有非工作狀態(tài)和工作狀態(tài)。在工作狀態(tài)，壓力罐的內(nèi)部表壓保持在工作范圍，使得壓力墨水能夠供應(yīng)給打印系統(tǒng)。該墨盒還包括一個排氣裝置，該排氣裝置連通在壓力罐的內(nèi)表面和外部大氣之間，使得壓力罐在工作和非工作狀態(tài)均能連續(xù)排氣。
在一個優(yōu)選實施例中，排氣裝置包括一個位于墨盒的受壓區(qū)域和外部大氣之間的多孔元件。這一多孔元件為穿過它的氣體提供氣流通道。


圖1是包括本發(fā)明所述墨盒的打印系統(tǒng)的示意圖，其中采用了用于將壓力液體傳送給打印系統(tǒng)的壓縮氣體源，圖2是采用本發(fā)明所述墨盒的大幅面打印系統(tǒng)的立體示意圖，圖3A是沿圖2中3A-3A剖開的本發(fā)明所述墨盒的截面示意圖，圖3B是與打印系統(tǒng)相連的、圖3A所示液體和空氣連接器的截面圖，圖4A-4D表示了包括本發(fā)明所述排氣裝置的支架的一個優(yōu)選實施例。
圖1是包括本發(fā)明所述墨盒12的噴墨打印系統(tǒng)10的示意圖，所述墨盒用于將壓力墨水傳送給打印頭14。打印系統(tǒng)10包括一個用于對墨盒12加壓的壓力源16。相應(yīng)于所施壓力，墨盒12借助管道18向打印頭14提供壓力墨水。在打印機電子設(shè)備20的控制下，打印頭14選擇性地將墨水噴在介質(zhì)(未表示)上。
壓力源16通過壓力管道22與墨盒12相連，使得氣流從壓力源16流向墨盒12以對墨盒12加壓。壓力源16響應(yīng)來自打印機電子控制設(shè)備20的信號，向壓力管道22供應(yīng)例如空氣等壓縮氣體。壓力管道22與氣體出口24相連，而該出口又依次與墨盒12所帶的氣體進口26相連。氣體進口26與壓力腔28相連，所述壓力腔由墨盒12的內(nèi)表面30圍成。墨盒12包括一個排氣裝置32，該裝置在壓力腔28和外部大氣環(huán)境之間建立了氣流通道，使得當(dāng)在壓力腔28和外部大氣環(huán)境之間有壓力差的任一時刻，壓力腔28能夠連續(xù)地排氣。
墨盒12通過液體管道18向打印頭14供應(yīng)墨水。墨盒12包括供應(yīng)用的墨水34，這些墨水可流動地與液體出口36相連。液體出口36與液體進口38連接，而液體進口38又依次與液體管道18的第一端相連。液體管道18的第二端與打印頭14相連。
打印頭14接收來自管道18的墨水，并選擇性地將墨水噴射到介質(zhì)(未表示)上。打印頭14包括一個調(diào)節(jié)部分40、一個內(nèi)部容器42和一個噴射部分44。調(diào)節(jié)部分40調(diào)節(jié)或者控制內(nèi)部容器42中的液體壓力。在一個實施例中，調(diào)節(jié)器包括一個與管道18相連的閥40a。調(diào)節(jié)器40響應(yīng)內(nèi)部容器42中的壓力變化而打開或者關(guān)閉閥40a，以保持內(nèi)部容器42中的適當(dāng)表壓。內(nèi)部容器42中的液體與噴射部分44相通。噴射部分44響應(yīng)接收到的來自打印機電子設(shè)備20的信號，選擇性地將墨水噴射到介質(zhì)(未表示)上。
圖2是打印系統(tǒng)10的一個實施例的示意圖。打印系統(tǒng)10包括一個打印機架46，該機架46包括一個或者多個本發(fā)明所述的墨盒12，它們可滑動地安裝在多個接收槽48之一上。圖2所示的實施例構(gòu)造成容納四個墨盒12的形式，每個墨盒含有一種不同的顏色。在四色打印情況下，這四個墨盒12中的每一個均帶有一種不同的墨水顏色，比如青、黃、品紅和黑色墨水。四種墨水中的每一種均供應(yīng)給一個或者多個打印頭14，并依次選擇性地將墨水噴射到諸如紙等的打印介質(zhì)上。打印機架46還包括一個用于控制打印系統(tǒng)10的操作的控制板50和輸出打印介質(zhì)的介質(zhì)槽52。
本發(fā)明的優(yōu)選墨盒12向打印頭14供應(yīng)壓力墨水。本實施例中的墨盒12可滑動地安裝在接收槽48中。接收槽48至少部分地由一對側(cè)壁54構(gòu)成。在墨盒12可變形的情況下，墨盒12中的壓力能夠使一對側(cè)壁56產(chǎn)生向外的擴張或者凸起。如果墨盒12長時間受壓，則墨盒12會永久變形。如果這種變形很劇烈，就會阻礙墨盒12安裝在側(cè)壁54之間，使墨盒12的插入和移出均很困難。本發(fā)明的排氣裝置32能保證內(nèi)部壓力下降，以防止墨盒12的永久變形。
圖3A表示了沿圖2中3A-3A剖開的墨盒12的一個優(yōu)選實施例。圖3A所示的墨盒12包括一個支架58、一個可變形容器60和一個壓力罐62。參見圖1，相似的元件用相似的序號表示。但是，圖1所示的墨盒12的實施例帶有與墨盒12的外壁直接接觸的墨水。相反，圖3A表示了帶有含墨水并被壓力罐62圍繞的可變形容器60的墨盒12。另外，不同于圖1，圖3A所示形式的墨盒采用了支架58。
支架58具有多種功能。它包括液體出口36，并在液體出口36和可變形容器60之間形成液體連通。支架58包括氣體進口26，該進口26與壓力腔28液體相通。壓力腔28由可變形容器60的外表面和壓力罐62的內(nèi)表面30形成。
可變形容器60最好是一個含有供應(yīng)用的墨水34的可變形薄膜袋。該袋的一端帶有開口，該開口與支架58上的袋密封表面64密封。
在一個優(yōu)選實施例中，壓力罐62是一個由聚乙烯制造的瓶狀密封體?？稍O(shè)計成提供約等于2 PSI(磅/平方英寸)的壓力，對供應(yīng)用的墨水34施壓。但是，腔28中的持續(xù)壓力會導(dǎo)致壓力罐62永久變形。當(dāng)使用打印系統(tǒng)的過程中增壓時，側(cè)壁54(見圖2)形成一定支撐以利于壓力罐62避免產(chǎn)生永久變形。壓力罐62安裝到支架58上鄰近壓力密封表面66的位置。在一個優(yōu)選實施例中，壓力罐62和支架58之間的密封由O形圈68形成。
墨盒12適于可拆卸地安裝在接收槽48(圖2)內(nèi)。當(dāng)墨盒12安裝好后，如圖1以及圖3B的放大圖所示，建立了液體和氣體連接關(guān)系。圖3B表示了與打印系統(tǒng)10相連的如圖3A所示那樣的液體出口36和氣體進口26。在與墨盒12相連的液體進口36和與接收槽48相連的液體進口38之間建立了液體連接關(guān)系，而在供應(yīng)的油墨34和打印頭14之間形成液體連通。在該實施例中，液體出口36包括一個用于密封液體出口36的液體隔板70。液體進口38包括一個空心針72，該針72中的液體與液體管道18相連，所述液體管道18與打印系統(tǒng)10相連通。
當(dāng)墨盒12安裝在接收槽48中時，在與墨盒12相連的氣體進口26和與打印系統(tǒng)10相連的氣體出口24之間建立了連接關(guān)系，以在壓力源16和壓力腔28之間形成液體連通。在該實施例中，氣體進口26包括一個氣體隔板74。氣體出口24包括一個與壓力管道22相連的空心針76。
再看圖4A，它表示了支架58的優(yōu)選實施例。除了提供上述功能，該支架還包括一個排氣裝置32。排氣裝置32連通在支架58的外表面和壓力腔28之間(圖3A)。
圖4B是支架58的部分截去的圖，在橫截面上顯示了排氣裝置32的優(yōu)選實施例。排氣裝置32包括一個多孔或者氣體滲透元件78，該元件78連接在壓力腔28和外部大氣之間。在優(yōu)選實施例中，排氣裝置32包括一個從支架58的內(nèi)表面82延伸出的殼體80。多孔元件78由殼體80支撐。
多孔元件78最好由注塑多孔聚乙烯成型。這種材料的一個實例是由Fairburn Georgia的Porex Technologies公司制造的商品名為POREXTM的材料。多孔元件78的流動特性主要由材料的毛細孔大小決定，其次由被殼體80壓縮的多孔元件78的壓縮程度決定。隨著毛細孔尺寸的增加，流動限制和流體阻力減小。上述壓縮的效果是減小毛細孔尺寸，增加流動阻力。在優(yōu)選實施例中，多孔元件78具有18-40微米的毛細孔尺寸。
在優(yōu)選實施例中，排氣裝置32特別提供大約3cc/min(立方厘米每分鐘)的氣流速度，這一流速是在STP(常溫和常壓)下且壓力腔28和外部大氣之間的壓差為2.5PSI(磅每平方英寸)時測量的。但是，取決于容器的體積、容器罐62對永久變形的靈敏度和氣壓源16(如圖1所示)對壓力腔28施壓的速率，優(yōu)選的流速可能有所不同。
在優(yōu)選實施例中，多孔元件78形成了液體穿過腔28和外部大氣之間的阻擋物。這是將諸如粉狀粘土等普通吸收材料加入用于形成多孔元件78的塑料中而實現(xiàn)的。當(dāng)液體接觸多孔元件78時，吸收材料膨脹，堵住多孔元件78中的毛細孔。
圖4C和4D分別顯示了未組裝和組裝狀態(tài)的排氣裝置32的截面圖。如圖4C所示，排氣裝置32包括一個圓柱形復(fù)合孔84，該孔84具有一個較大直徑部分86和一個較小直徑部分88。較大直徑部分和較小直徑部分之間過渡段形成了一個徑向的臺階90。大直徑部分包括一個導(dǎo)錐部分92。
如圖4C所示，排氣裝置32由將圓柱形多孔元件78插入復(fù)合孔84中而形成。導(dǎo)錐部分92幫助多孔元件78導(dǎo)入大直徑部分86。多孔元件78被壓入復(fù)合孔，直到導(dǎo)向端94接觸徑向臺階90時為止。當(dāng)多孔元件78安裝到大直徑部分86后，多孔元件78被徑向壓縮，保證了在多孔元件78和大直徑部分86的內(nèi)壁之間形成牢靠的密封。
圖4D表示了排氣裝置32在組裝好后的狀態(tài)。多孔元件78在壓力腔28和外部大氣之間形成了氣流通道96。復(fù)合孔84的小直徑部分88在多孔元件78的導(dǎo)向端94和外部大氣之間構(gòu)成了連通關(guān)系。多孔元件78的末端98延伸到腔28中。殼體80延伸并高出內(nèi)表面82一定距離，以使排氣裝置32沿內(nèi)表面82容納一定量的積聚流體而不會堵塞排氣裝置32。
作為一種替換形式，多孔元件78可由燒結(jié)金屬制成。燒結(jié)金屬將產(chǎn)生相似的作用并以參照圖4C和4D所討論的相似方式加以使用。燒結(jié)金屬具有氣體或者空氣能夠穿過的小孔，但是在與孔尺寸成反比增加的壓力下阻止了液體。
排氣裝置32也可以制成一個或者多個具有可控開口尺寸且連通壓力腔28和外部大氣的迷宮式(螺旋形、蛇形、折線形等)通道。通道的數(shù)量、開口尺寸、長度和彎曲幾何形狀可加以調(diào)整，以形成給定大小的氣流和液流阻力。
下面參照圖4A-D描述裝進支架58中的排氣裝置32。排氣裝置也可以裝進墨盒12的其它位置，而在壓力腔28和外部大氣之間形成氣流通道。例如，圖1顯示了裝進諸如壓力罐62等墨盒12的外壁內(nèi)的排氣裝置32。
制造墨盒12的步驟包括組裝墨盒元件和向墨盒填充墨水。填充步驟通常由向液體出口36供應(yīng)墨水而實現(xiàn)。參見圖1，可以看到在加入墨水時，腔28中的空氣被壓縮并受壓。在排氣裝置32的作用下，這些空氣能夠得以排出。這樣，排氣裝置32的優(yōu)點是在最初的墨水填充過程中，排氣裝置32能夠釋放任何殘余壓力。
當(dāng)墨盒12組裝好后，壓力腔28通常具有與外部大氣相等的壓力。如果墨盒12被飛機運輸或者被送到具有更高海拔的地區(qū)，壓力腔28和外部大氣之間就會產(chǎn)生壓力差。在通常的墨盒輸送過程中，這一壓力差可能達到5 PSI或者更高。即使這一壓力差僅持續(xù)2-3小時，壓力罐62的壁就可能會永久變形。如果這種變形足夠大，可能會阻礙墨盒12裝入接收槽48(圖2)中。通過釋放壓力罐62中的壓力，本發(fā)明的排氣裝置32避免了這種永久變形。
避免這種永久變形需要有用于排氣裝置32的最小流動速率。例如，最小流動速率大約為每分鐘1cc(立方厘米)空氣，這一流速是在STP(常溫和常壓)下且壓力差(壓力腔28和外部大氣之間)為2.5PSI(磅每平方英寸)時測量的。對于具有較小彈性壓力罐的小容器來說，該最小值可以是每分鐘0.1cc的空氣(同樣條件)或者更少。最小流動速率通常取決于不同因素，例如容器體積、壓力罐材料等。
工作時，墨盒12先安裝到接收槽48內(nèi)，使得液體出口36與液體進口38接合，建立供應(yīng)用的墨水34和液體管道18之間的液體連通關(guān)系。插入墨盒12時也會將氣體進口26與打印系統(tǒng)的空氣出口24連接，建立壓力管道22和壓力腔28之間的連通關(guān)系。
最初，墨盒12處于非工作狀態(tài)，這時墨水不會在適當(dāng)壓力下供應(yīng)給打印系統(tǒng)10。為了達到工作狀態(tài)，壓力罐62必須加壓至一個適當(dāng)?shù)闹?。壓力源或者氣?6開始通過壓力管道22向壓力腔28供應(yīng)氣體，以在壓力腔28中形成正的內(nèi)部表壓。同時，排氣裝置32從壓力腔28釋放壓力。重要的是排氣裝置32應(yīng)非常慢地釋放壓力，使得壓力源16以可接受的速率對腔28施壓。
這種加壓要求為排氣裝置32設(shè)置了最大的流動速率。例如，最大流動速率為在內(nèi)部表壓為2.5PSI時每分鐘5cc(在STP下的空氣)。但是，根據(jù)對墨盒12施壓的時間要求，和由壓力源16產(chǎn)生的流動速率，可接受的流動速率可以是在內(nèi)部表壓為2.5PSI時每分鐘50cc或者更高(在STP下的空氣)。
一旦內(nèi)部表壓(壓力腔28中)達到預(yù)定范圍，則墨盒12處于工作狀態(tài)，所述預(yù)定范圍指的是工作壓力范圍。然后打印系統(tǒng)10向打印頭14選擇性地提供通電信號，以向介質(zhì)選擇性地噴射墨水。對于典型的系統(tǒng)來說，這一表壓應(yīng)為每平方英寸0.5到3.0磅。在一個優(yōu)選實施例中，該表壓應(yīng)在每平方英寸1.0到2.0磅的范圍。墨水從墨水供應(yīng)裝置34流出，經(jīng)過流體管道18流向打印頭14，以再次注滿打印頭14。對于圖1所示的打印系統(tǒng)，每一打印頭14包括一個壓力調(diào)節(jié)器40，用于調(diào)節(jié)或者調(diào)整管道18和容器42之間的壓力，使噴射部分44能夠執(zhí)行恰當(dāng)?shù)牟僮鳌?br> 在打印過程中，壓力腔28內(nèi)部的壓力保持在預(yù)定壓力范圍內(nèi)，以保證從墨水供應(yīng)裝置34流向打印頭14的墨水達到所需的墨水流動速率。這是通過調(diào)節(jié)泵16傳送的壓力而實現(xiàn)的。另外一種替換形式可以是打開和關(guān)閉泵16以保持適當(dāng)?shù)膲毫Α?br> 當(dāng)打印結(jié)束后，泵16關(guān)閉。這時，排氣裝置32使得壓力腔28中的壓力釋放。但是，壓力降低速率非常低，使得在特定時間內(nèi)如果打印再次開始，則壓力腔28的內(nèi)部表壓將處于足夠高的值以開始打印。這樣，最好是流動速率足夠低，使得在泵關(guān)閉后，壓力腔28在至少一半的工作表壓下保持5秒鐘。但是，為了避免壓力罐62變形，最好是在5小時內(nèi)釋放至少一半的工作壓力。
當(dāng)墨盒12從打印系統(tǒng)中拆下時，排氣裝置使得墨盒釋壓，以防止墨盒12發(fā)生上述的變形。這樣，在墨盒用完前，墨盒可被拆下和替換，且不會產(chǎn)生將墨盒12再次插入打印系統(tǒng)10時所發(fā)生的問題。
權(quán)利要求
1．一種用于向噴墨打印系統(tǒng)10供應(yīng)墨水的墨盒12，該墨盒12包括一個具有非工作狀態(tài)和工作狀態(tài)的壓力罐62，在工作狀態(tài)，壓力罐62的內(nèi)部表壓保持在工作范圍，使得壓力墨水能夠供應(yīng)給打印系統(tǒng)10；和一個連接在壓力罐62的內(nèi)表面30和外部大氣之間的裝置32，該裝置32在工作和非工作狀態(tài)均能連續(xù)排氣。
2．如權(quán)利要求1所述的墨盒12，其特征在于，排氣裝置32限制穿過它的氣流，以使當(dāng)墨盒12不與壓力源16相連時，壓力罐62的至少一半內(nèi)部表壓保持至少5秒鐘。
3．如權(quán)利要求1所述的墨盒12，其特征在于，排氣裝置32使得氣流以足夠的速率流動，以使當(dāng)墨盒12不與壓力源16相連時，壓力罐62的至少一半內(nèi)部表壓在5小時內(nèi)釋放。
4．如權(quán)利要求1所述的墨盒12，其特征在于，當(dāng)壓力罐62的內(nèi)部表壓為每平方英寸2.5磅時，通過排氣裝置32的氣流速率為在常溫和常壓下測得的每分鐘0.1到50立方厘米空氣的范圍內(nèi)。
5．如權(quán)利要求1所述的墨盒12，其特征在于，當(dāng)壓力罐62的內(nèi)部表壓為每平方英寸2.5磅時，通過排氣裝置32的氣流速率為在常溫和常壓下測得的每分鐘1到5立方厘米空氣的范圍內(nèi)。
6．如權(quán)利要求1所述的墨盒12，其特征在于，排氣裝置32包括一個多孔元件78，該多孔元件78在墨盒12的受壓區(qū)域28和外部大氣之間形成了一個氣流通道96。
7．一種墨盒12，包括一個用于對墨盒12中的墨水施壓的壓力罐62；和一個多孔元件78，它連通在壓力罐62的內(nèi)表面30和外部大氣之間。
8．如權(quán)利要求7所述的墨盒12，其特征在于，壓力罐62具有一外表面，該外表面形成了孔口84，多孔元件78位于所述孔口84中。
9．如權(quán)利要求8所述的墨盒12，其特征在于，多孔元件78被孔口84壓縮。
10．一種對墨盒12進行填充和減壓的方法，包括向墨盒12內(nèi)部的容器60供應(yīng)墨水；通過由多孔元件78確定的氣流通道96從墨盒12的內(nèi)部向外部大氣排氣。
全文摘要
一種向噴墨打印系統(tǒng)供應(yīng)墨水的可更換墨盒,包括一個向墨水施壓的壓力罐并具有非工作狀態(tài)和工作狀態(tài)。在工作狀態(tài),壓力罐的內(nèi)部表壓保持在工作范圍,使壓力墨水能夠供應(yīng)給打印系統(tǒng)。該墨盒還包括一個排氣裝置,該裝置連通在壓力罐的內(nèi)表面和外部大氣之間,使壓力罐在工作和非工作狀態(tài)均能連續(xù)排氣。優(yōu)選地排氣裝置包括一個位于墨盒的受壓區(qū)域和外部大氣之間的多孔元件,為穿過它的氣體提供氣流通道。
文檔編號B41J2/175GK1218742SQ9812340
公開日1999年6月9日 申請日期1998年10月19日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月3日
發(fā)明者R·佩雷茲, R·維爾森, 小N·E·鮑羅斯基 申請人:惠普公司