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Dokumentenidentifikation DE10212278B4 25.10.2007
Titel Tintenschreibgerät
Anmelder Roscher, Dietrich, Dr.-Ing., 99099 Erfurt, DE
Erfinder Roscher, Dietrich, Dr.-Ing., 99099 Erfurt, DE;
Wolf, Udo, 99089 Erfurt, DE;
Klingner, Holger, 99096 Erfurt, DE;
Heun, Peter, 99099 Erfurt, DE;
Gebert, Norbert, 99195 Schwansee, DE
Vertreter Enders, H., Dipl.-Ing.(FH)Pat.-Ing.Dipl.-Jur., Pat.-Anw., 99195 Großrudestedt
DE-Anmeldedatum 20.03.2002
DE-Aktenzeichen 10212278
Offenlegungstag 02.10.2003
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 25.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 25.10.2007
IPC-Hauptklasse B43K 5/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B43K 5/18(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   B43K 8/22(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   B43K 8/14(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Tintenschreibgerät, insbesondere einen Füllfederhalter und Tuschefüller.

Der Schreibvorgang bei einem konventionellen Füllfederhalter beruht auf der kapillaren Förderung der Schreibflüssigkeit aus einem Tintenvorratsbehälter bis zur Schreibfederspitze. Zur Kompensation des Saugverhaltens des zu beschreibenden Papiers und der Schwerkraft der Tinte im Tintenvorratsbehälter ist ein Unterdruck im Tintenvorratsbehälter erforderlich, um ein unkontrolliertes Austreten der Tinte, ein sogenanntes Klecksen zu vermeiden. Bei konventionellen Füllfederhaltern wird der Unterdruck im Tintenvorratsbehälter durch eine vom Tintenfluss freigegebene Entlüftungskapillare geregelt. Die Freigabe erfolgt dabei in Abhängigkeit vom Füllungsgrad eines zwischen der Schreibfederspitze und dem Tintenvorratsbehälter angeordneten kapillaren Speichers, der zugleich die Aufgabe hat, bei plötzlichen Druck- und Temperaturschwankungen aus dem Tintenvorratsbehälter austretende Tinte vorübergehend aufzunehmen. Dieses System erfordert eine sorgfältige Abstimmung der Kapillarität von Tintenleiter, Saugkraft des Papiers, Kapillarität und Aufnahmevermögen des Speichers.

Trotzdem sind die Möglichkeiten der Kompensation von äußeren Einwirkungen wie Temperatur, Druck und Saugverhalten des Papiers begrenzt.

Bei einem Füller gemäß der DE 44 19 735 A1 wird die austretende Schreibflüssigkeit durch ein Pumpelement dosiert, welches die Schreibflüssigkeit zur Düse der Schreibspitze drückt. Das Pumpelement wird über einen Druckaufnehmer und eine Mikroschaltung aktiviert, indem bei Aufsetzen der Schreibspitze auf das Papier ein Piezoquarzröhrchen das Start- und Stopp-Signal für die Mikroschaltung gibt und die Pumpfrequenz des Pumpelements bestimmt. Als Flüssigkeitsvorratsbehälter dient eine wechselbare Patrone, die beim Einsetzen beiderseits mit Kanülen durchstoßen wird, wobei im Boden der Patrone eine Trennwand aus semipermeablen Material eingelassen ist, die für Luft durchlässig und für die Tinte undurchlässig ist. Durch die direkte Belüftung der Patrone befindet sich das gesamte System in einem ständigen Druckausgleich mit der Außenluft, so dass gesonderte Kompensationsmaßnahmen für Temperatur- und Luftdruckänderungen entfallen können. Das Pumpelement und die Mikroschaltung werden von einer Batterie mit Strom versorgt. Auf die Aufteilung des Vorratsbehälters in einen Primär- und Sekundärvorratsbehälter wurde verzichtet, da die Mikropumpe die Fördermenge bestimmen soll. Nachteilig bei dieser Anordnung ist, dass eine direkte Proportionalität zwischen Pumpleistung und Aussetzkraft nicht vorausgesetzt werden kann. Dieser Zusammenhang wird zumindest noch durch den momentanen Füllstand der Patrone und des sich ergebenden hydrostatischen Druckes beeinflusst. Eine Rolle spielt auch die temperaturabhängige Viskosität möglicherweise unterschiedlicher Tintensorten. Eine Kompensation des unterschiedlichen Saugverhaltens des Papiers ist nicht möglich.

In der DE 43 28 312 A1 wird eine Anordnung beschrieben, bei der volumenvariable Flüssigkeitsreservoirs sowohl als Primärvorratsbehälter als auch Sekundärflüssigkeitsbehälter verwendet werden. In einer Ausführungsform wird vorgeschlagen, zwischen den beiden Flüssigkeitsbehältern ein elektronisch gesteuertes Ventil zu verwenden, das in Abhängigkeit von den Druckverhältnissen im Sekundärflüssigkeitsbehälter geöffnet und geschlossen wird. Der Primärvorratsbehälter steht dabei unter einem Überdruck, sodass bei Öffnung des Ventils Schreibflüssigkeit in den Sekundärflüssigkeitsbehälter strömt und diesen Behälter wieder füllt. Geht man davon aus, dass der Sekundärflüssigkeitsbehälter unter Unterdruck stehen muss, damit die Schreibflüssigkeit nicht über die Federspitze ausläuft, werden die erforderlichen Kräfte wiederum durch den Unterdruck der Kammer, in dem sich der Sekundärflüssigkeitsbehälter befindet bzw. die schwer zu kontrollierenden Kräfte der Elastizität des volumenvariable Flüssigkeitsreservoirs aufgebracht. Damit unterliegen die Druckbedingungen wiederum den Bedingungen der Umgebung wie Temperatur und atmosphärischer Druck, was man gerade vermeiden wollte. Bei einer anderen Ausführungsform in der DE 43 28 312 A1 wird auf einen Sekundärflüssigkeitsbehälter verzichtet und direkt der Druck im Vorratsbehälter geregelt. Diese Art der Druckregelung berücksichtigt allerdings nicht, dass im praktischen Schreibbetrieb der Druck in Abhängigkeit vom Schriftzug, den Aufsetzkräften und der Papierqualität stark schwankt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Tintenschreibgerät der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die Mikropumpe nur während des Schreibvorganges aktiv ist und Änderungen des Außendruckes und der Temperatur, sowie das unterschiedliche Saugverhalten des Papiers keinen Einfluss auf die Menge der austretenden Tinte haben.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine elektronische Regelung der Tintenabgabe an der Schreibfederspitze gelöst. Dazu befindet sich in der Schreibfeder ein Kraftsensor, dessen Signal den Tintensollfluss bestimmt. Ein weiterer Flusssensor im Tintenleiter ermittelt den Ist-Fluss der Tinte zur Schreibfederspitze. Der Tintenvorrat ist durch ein elektronisch gesteuertes Ventil vom Tintenleiter zur Schreibfeder getrennt. Im Tintenleiter befindet sich eine elektronisch regelbare Mikropumpe. Zwischen Tintenvorratsbehälter und Mikropumpe ist zur dynamischen Entkopplung ein kleiner Zwischenspeicher für Tinte angeordnet.

Um durch den hydrostatischen Druck im Tintenvorratsbehälter ein Ausfließen zu vermeiden, ist das Ventil während des Ruhezustandes des Tintenschreibgerätes geschlossen. Nach Abnehmen der Schutzkappe wird die elektronische Steuerung des Tintenschreibgerätes aktiviert. Beim Aufsetzen der Schreibfeder auf das Papier ist das Tintenschreibgerät kurzzeitig auch ohne Einschalten der Pumpe oder Öffnung des Ventils sofort schreibbereit, weil durch das Saugverhalten des Papiers Tinte zunächst aus dem Tintenspeicher entnommen wird. Dabei fließt die Tinte durch die Mikropumpe und ihre nur dynamisch wirkenden Pumpenventile hindurch. Die Mikropumpe stellt somit zunächst nur einen Strömungswiderstand dar. Gleichzeitig registriert der Kraftsensor das Aufsetzen auf das Papier. Die Aufsetzkraft ist ein Maß für den durch den Nutzer gewünschten Tintenfluss und stellt für einen Regelkreis den Sollwert dar. Der Istwert wiederum wird durch den Flusssensor ermittelt. Die Differenz zwischen Soll- und Istwert bildet eine Stellgröße für die Ansteuerung der bidirektional wirkenden Mikropumpe. Mit zunehmenden Ausschreiben des Speichers steigt die notwendige Pumpleistung zur Erreichung des Sollflusses an. Bei Erreichung eines Grenzwertes wird das Ventil am Tintenvorratsbehälter geöffnet und Tinte strömt nach. Der Speicher füllt sich wieder. Danach sinkt die notwenige Pumpleistung zunächst ab, bis sogar ein Gegensteuern der Mikropumpe notwendig ist. Bei Erreichung eines zweiten Grenzwertes wird das Ventil am Tintenvorratsbehälter geschlossen. Die Pumpe fördert dann zunächst wiederum aus dem Zwischenspeicher.

Für die Funktion des Schreibgerätes ist es wichtig, dass die Zeitkonstanten des Ventils, des Tintenspeichers und der Mikropumpe aufeinander abgestimmt sind Beim Aufsetzen der Feder muss der Tintenfluss innerhalb kurzer Zeit ohne merkliche Verzögerung einsetzen. Für diesen Zeitraum wird zunächst die Tinte aus dem Zwischenspeicher entnommen. Die Mikropumpe greift nun in die Regelung des Tintenflusses ein. Der Vorrat des Tintenspeichers ist so bemessen, dass er für einen kurzen Schreibbetrieb ausreichend ist, mindestens aber soviel Zeit, wie zum Öffnen des Ventils am Tintenvorratsbehälter notwendig ist.

Die für die Sensorauswertung, Pumpansteuerung und Ventilsteuerung erforderliche Elektronik ist zweckmäßigerweise als ASIC ausgeführt und im vorderen Teil des Gehäuses des Tintenschreibgerätes angeordnet. Die Versorgung der Elektronik mit elektrischer Energie erfolgt über eine Batterie oder einen Akkumulator, welche im Gehäuseoberteil des Schreibgerätes eingesetzt sind. Die Pumpe ist realisiert als bidirektionale dynamische Mikropumpe, wie sie z.B. in der DE 196 48 694 C1 beschrieben ist. Der Vorteil dieser Pumpe besteht darin, dass zur Erreichung des Sollflusses durch Gegenpumpen reagiert werden kann. Das Ventil ist als elastischer Kanalkörper ausgeführt, der durch Einwirkung eines Linearantriebes zusammengedrückt wird und somit einen Tintenfluss unterbindet. Der Linearantrieb besteht aus einer Piezokeramik, deren Formänderung bei Anlegen einer elektrischen Spannung unmittelbar oder über ein geeignetes Getriebe auf den elastischen Kanalkörper einwirkt. Das Ventil ist so realisiert, dass der Fluss im stromlosen Zustand unterbrochen ist und das Schreibgerät bei Nichtgebrauch keine elektrische Energie benötigt. Bei Ausführung des Ventils mit spannungsproportionaler Öffnung kann das Ventil als elektronisch gesteuerte Drossel verwendet werden und so die Möglichkeiten der Flussregelung erweitern.

Das erfindungsgemäße Schreibgerät hat den Vorteil, dass Umwelteinflüsse, wie Luftdruckänderungen und Temperaturschwankungen sowie unterschiedliches Saugverhalten des Papiers durch die Flussregelung keinen nachteiligen Einfluss auf die Schreibqualität ausüben und der Tintenleiter mit seinem Zwischenspeicher in einfacher Weise ausgeführt werden kann.

Der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke wird in der nachfolgenden Beschreibung anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert.

Es zeigt:

1 eine Gesamtdarstellung des Tinten-Schreibgerätes im Längsschnitt

2 eine Darstellung des Regelsystems

3a einen Querschnitt durch die Schreibeinheit

3b ein Layout des Fluidiksystems von der Vorderseite

3c ein Layout des Fluidiksystems von der Rückseite

4a einen Querschnitt durch den Mikroventilantrieb mit Piezostapel bei geöffnetem Ventil

4b einen Querschnitt durch den Mikroventilantrieb mit Piezostapel bei geschlossenem Ventil

5 einen Mikroventilantrieb mit Piezostreifen

1 zeigt zunächst einen Querschnitt durch das Schreibgerät mit der Schreibfeder 9, den Halter der Schreibfeder 8 im Vorderteil des Gehäuses 3. Im Gehäuseoberteil 1 befindet sich als Tintenvorratsbehälter eine Tintenpatrone 4 sowie ein Batteriefach zur Aufnahme der Batterie 6. Das Batteriefach ist durch eine Abdeckung 2 verschlossen. Die Tintenpatrone 4 ist mit einer Verschlussstopfen 12 verschlossen, der beim Einsetzen in das Schreibgerät mit einer Kontaktnadel 13 durchstoßen wird. Die Kontaktnadel 13 ist in dem Kanalkörper 10 bestehend aus einem Keramik/Metallverbund befestigt, in dem alle fluidischen Funktionselemente wie Mikropumpen, Speicher und Ventile angeordnet sind. Aus dem Kanalkörper 10 gelangt die Tinte durch einen Tintenleiteranschluss 15 und einem elastischen Zwischenstück 14 zur Schreibfeder 9, die in der Darstellung in 1 als Röhrchenfeder ausgeführt ist. Die Schreibfeder 9 befindet sich in einem Federhalter 8, der sich im Gehäuseunterteil 3 in der Achse des Andruckes beim Schreiben bewegen und somit auf die beiden Kraftsensoren 20 wirken kann. Die Kraftsensoren 20 stützen sich auf den Gegenhalter 21 ab, der im Kanalkörper 10 befestigt ist. Auf einer Leiterplatte 31 befinden sich die elektronischen Bauelemente 32, die für die Steuerung des Schreibgerätes verantwortlich sind.

Die Funktionsweise des Schreibgerätes soll anhand von 2 in einer elektrischen Analogie erläutert werden. Der hydrostatische Druck in der Tintenpatrone 4repräsentiert in der elektrischen Analogie eine elektro-motorischen Kraft (EMK) mit der Spannung UP. Diese Spannung ändert sich je nach Füllungsgrad der Patrone 4 und Gebrauchslage des Schreibgerätes. Eine andere EMK mit der Spannung Us stellt das Saugverhalten des Papiers dar. Auch diese Spannung ist veränderlich und von den jeweiligen Papiereigenschaften abhängig. Der Schalter SP symbolisiert das Aufsetzen der Schreibfeder 9 auf das Papier und den damit eintretende Tintenfluss iT. Der Schalter SV steht für das Ventil. Im Tintenfluss iT sind verschiedene Widerstände RP, RT und RV angeordnet, die für die Strömungswiderstände der einzelnen Funktionselemente und Verbindungskanäle stehen. Im Tintenfluss iT ist die Mikropumpe &mgr;P und der Flussmesser FS angeordnet. Ein elastischer Zwischenspeicher CT wird als Kondensator dargestellt, der Ladung aufnimmt und bedingt durch seine Ladespannung auch wieder Ladung als Stromfluss über die Zeit abgeben kann.

Im Ruhezustand des Schreibgerätes ist zunächst das Ventil am Tintenvorratsbehälter geschlossen, d.h. der entsprechende Schalter SV ist offen. Wird das Schreibgerät auf das Papier aufgesetzt, wird sinngemäß der Schalter SP geschlossen. Bedingt durch die Saugwirkung des Papiers US setzt ein Tintenfluss iT vom Speicher CT durch die Mikropumpe &mgr;P ein. Der Kondensator CT wird dabei aufgeladen. Der Fluss iT wird mit dem Flussmesser FS gemessen. Gleichzeitig wird die Aufsetzkraft durch den Sensor PS gemessen. Diese Aufsetzkraft repräsentiert den durch den Benutzer des Schreibgerätes gewünschten Soll-Fluss. Dieser Soll-Fluss wird mit dem Ist-Fluss iT verglichen. Die Differenz wird über einen Operationsverstärker (OPV) V2 der Mikropumpe zugeführt, die den Ist-Fluss iT solange nachregelt, bis eine Identität erreicht wird. Die Tinte wird dabei zunächst dem Speicher CT entnommen, das heißt dieser Kondensator lädt sich entsprechend auf. Diese Aufladung entspricht einem wachsenden Unterdruck im Tintenleitsystem. Die Mikropumpe &mgr;P muss zunehmend stärker pumpen, um den Ist-Fluss iT auf den Sollfluss auszuregeln. Über einen Schwellwertschalter ST wird bei Erreichung eines bestimmten Unterdruckes das Ventil SV geöffnet und Tinte kann aus dem Tintenvorratsbehälter nachströmen. Der Unterdruck am Kondensator CT verringert sich. Bedingt durch den hydrostatischen Druck UP kann sogar ein Überdruck am Kondensator CT entstehen, das heißt die Pumpe muss sogar in die umgekehrte Richtung pumpen, um den Ist-Fluss iT auf den Soll-Fluss auszuregeln.

Ein zweiter Triggerpunkt des Schwellwertschalters ST registriert diesen Zustand und schließt das Ventil SV wieder.

Durch diese Kombination von Mikropumpe &mgr;P, Speicher CT und Ventil SV wird erreicht, das die unterschiedlichen Zeitkonstanten für die einzelnen Funktionselemente des Schreibgerätes ausgeführt werden können. Für das Anschreiben ist es zweckmäßig, das ein kleiner Tintenvorrat für wenige Millisekunden direkt aus einem Zwischenpeicher CT entnommen werden kann. Der Sensor FS und die Mikropumpe &mgr;P sind in der Lage innerhalb dieser Zeit die Regelfunktion aufzunehmen. Das langsamste Funktionselement ist das Ventil SV, dessen notwendige Schaltzeit durch die Speicherkapazität des Kondensators CT verlängert werden kann. Bei der Dimensionierung des Tintenleitsystem ist zu beachten, dass der Unterdruck im System repräsentiert durch die Ladespannung des Kondensators CT nicht größer wird, als die Rückhaltekraft des Meniskus an der Öffnung der Schreibfeder, weil sich sonst die Tinte innerhalb der als Röhrchenfeder ausgebildeten Schreibfeder 9 zurückziehen kann. Das wäre für den Anschreibvorgang nicht vorteilhaft. In 2 wird dieser Zustand durch eine Unterbrechung des Tintenpfades an der Stelle SU dargestellt. Im Gegenteil kann durch prophylaktisches, kurzzeitiges Pumpen nach Abnahme einer Schutzkappe sichergestellt werden, dass die Tinte an der Spitze der Röhrchenfeder 9.1 steht und einen Meniskus bildet. Wichtig ist, dass in keiner Situation ein Überdruck im Tintenleitsystem auftritt, der größer als das Rückhaltevermögen der Schreibfeder ist. Dieses Rückhaltevermögen der Schreibfeder wird durch die Z-Diode DF symbolisiert.

Der Aufbau des Kanalkörpers 10, der alle wesentlichen Funktionselemente enthält, ist in 3a, 3b und 3c dargestellt. Der aus einer Glaskeramik hergestellte Kanalkörper 10 enthält auf den beiden Oberflächen durch Feinstbearbeitung eingearbeitete Mikrostrukturen der Funktionselemente wie Mikropumpen, Ventile, Druckmesskammern und Verbindungskanäle. Der Kanalkörper 10 ist mit zwei elastischen Abdeckplatten 16 und 17 aus Edelstahl abgedeckt. Die beiden Abdeckplatten 16 und 17 werden durch eine Polymerdispersion 18, die eine thermisch reaktive Gruppe einer oder mehrerer der Typen Epoxide, Acrylate, Isocyanate enthält, durch Heißpressen miteinander verbunden.

Die Kontaktnadel 13 (3) ist in einer Bohrung im Kanalkörper 10 befestigt. Die Tinte fließt zunächst in eine Einlasskammer 40, von dort über einen Ventileinströmkanal 41 in die eigentliche Ventilkammer 42. Das Schließen des Ventils zum Tintenvorrat wird dadurch bewirkt, dass die elastische Abdeckplatte P 17 durch einen geeigneten Ventilantrieb auf den sogenannten Ventilsitz 44 gedrückt wird und damit den Ventilauslasskanal 43 verschließt. Der Ventilsitz 44 besteht aus einer Folie elastischen Materials, um ein sicheres Verschließen zu ermöglichen. Durch den Verbindungskanal 39 strömt die Tinte in die Pumpenvorkammer 46.

Die Mikropumpe besteht aus drei Kammern 46, 48 und 50, die durch das Einlassventil 47 und das Auslassventil 49 miteinander verbunden sind. Die Pumpkammer 48 ist sehr flach gestaltet, um eine Selbstflutung der Pumpkammer 48 zu ermöglichen. Die Pumpkammer 48 ist abgedeckt mit der elastischen Abdeckplatte 17 zweckmäßigerweise aus Edelstahl, auf der die Piezoscheibe 33 durch eine leitende Klebverbindung befestigt ist. Ein Pol der Piezoscheibe 33 ist mit einer elektrisch leitenden Abdeckplatte 17 leitend verbunden. Die Abdeckplatte 17 und die Piezoscheibe 33, bilden zusammen einen Bimorph, d.h. bei Anlegen einer Spannung an die leitenden Pole der Piezoscheibe 33 tritt eine Verwölbung des Bimorphes ein. Auf die Pumpkammer 48 wird auf diese Weise eine Volumenverdrängung des Fluids ausgeübt. Die Volumenverdrängung hängt von der an die Pole der Piezoscheibe 33 angelegten Impulsform und Größe ab.

Die zwischen den Kammern 46, 48, und 50 befindlichen Einlass- bzw.. Auslassventile 47 und 49 stellen gerichtete Strömungswiderstände dar. Die Richtwirkung dieser Ventile werden durch abrupte Änderungen des Querschnittes des Strömungskanals vom Einlassventil 47 in die Pumpkammer 48 hinein bzw. von der Pumpkammer 48 in den Kanal des Auslassventils 49 hinaus, erzeugt. In Kombination turbulenter und laminarer Strömungsverhältnisse im Zusammenhang mit der Form der Ansteuerimpulse der Piezoscheibe 33 entsteht eine Pumpwirkung, deren Richtung durch Änderung der Frequenz bzw. der Form der Ansteuerimpulse geändert werden kann.

An der Pumpvorkammer 46 ist weiterhin der Zwischenspeicher 45 angeschlossen, der ebenfalls durch eine elastische Abdeckplatte L 16 abgedeckt ist. Bei Entnahme von Tinte aus dem Zwischenspeicher 45 durch Abpumpen bei geschlossenen Ventil 44 verformt sich durch den entstehenden Unterdruck die elastische Abdeckplatte L 16.

Am Ausgang 49 der Mikropumpe befindet sich die Kammer 50, die über die Druckausgleichsbohrung 51 im Kontakt mit dem Flussdrucksensor A 35 steht. Im Ausführungsbeispiel besteht der Flussdrucksensor A 35 aus einem Siliziumchip mit piezoresistiven Widerständen. Die Verformung der Membran des Sensors 35 ist somit ein Maß für den Druck in Kammer 50. Die Tinte fließt weiter durch den Widerstandskanal 52, über den bedingt durch den Strömungswiderstand ein Druckgefälle eintritt. Der Innendruck in der Kammer 53, gemessen durch den Flussdrucksensor B 36 im Verhältnis zum Innendruck in der Kammer 50 ist somit ein Maß für den Fluss der Tinte. Die Tinte wird abschließend von der Kammer 54 zum Tintenleiteranschluss 15 und von dort aus zur Schreibfeder 9 geleitet.

3b bzw. 3c zeigen die Strukturen im Kanalkörper 10 von der Vorder- und Rückseite.

In 4a und 4b ist der Ventilantrieb dargestellt. Die Stellbewegung eines Linearantriebes, ausgeführt als Piezostapel 28, wird über Hebelübersetzung auf die Formfeder 25 übertragen, die sich entsprechend streckt und die Abdeckplatte 16 vom Ventilsitz 44 freigibt. Wird der Piezostapel 28 nicht mit einer Spannung beaufschlagt, drückt die Formfeder die Abdeckplatte 16 auf den Ventilsitz. Es ist vorteilhaft, wenn der Ventilsitz 44 aus einer elastischen Platte besteht um den Leckfluss des Ventils zu vermeiden.

In 5 ist eine alternative Lösung für den Ventilantrieb dargestellt. Hier übernimmt die Antriebsfunktion ein Bimorph, bestehend aus einem Piezostreifen 29 und einer Biegefeder 30. Auch bei dieser Lösung ist es vorteilhaft, wenn durch die Ausformung der Biegefeder 30 im spannungslosen Zustand das Druckstück 26 über die Abdeckplatte auf den Ventilsitz 44 drückt

1
Gehäuseoberteil
2
Batteriefachabdeckung
3
Gehäuseunterteil
4
Tintenvorratsbehälter/Patrone
5
Belüftungsöffnung
6
Batterie
7
Befestigungsring
8
Federhalter
9
Schreibfeder
9.1
Schreibfederspitze
10
Kanalkörper
11
Piezoantrieb für Mikropumpe
12
Verschlussstopfen
13
Kontaktnadel
14
Schlauchverbinder
15
Tintenleiteranschluss
16
elastische Abdeckplatte L
17
elastische Abdeckplatte P
18
Klebeschicht
19
Durchbrüche
20
Kraftsensor
21
Gegenhalter
22
Bimorph-Halter
23
Ventilantrieb
24
Widerlager
25
Formfeder
26
Druckstück
27
Getriebehebel
28
Piezostapel
29
Piezostreifen
30
Biegefeder
31
Leiterplatte
32
Elektronische Bauelemente
33
Piezoscheibe
34
Anschluß Piezoscheibe
35
Flussdrucksensor E
36
Flussdrucksensor A
37
Anschlussdrähte Flussdrucksensoren
39
Verbindungskanal
40
Einlasskammer
41
Ventileinströmkanal
42
Ventilkammer
43
Ventilauslasskanal
44
Ventilsitz
45
Zwischenspeicher
46
Pumpvorkammer
47
Pumpeneinlassventil
48
Pumpkammer
49
Pumpenauslassventil
50
Druckmesskammer E
51
Druckausgleichsbohrungen
52
Widerstandskanal
53
Druckmesskammer A
54
Auslasskammer
US
Saugdruck Papier
UP
hydrostatischer Druck des Tintenvorrates
SP
Berührungskontakt
PS
Sensor für Aufsetzkraft
FS
Flusssensor
V1
Verstärker 1
V2
Verstärker 2
ST
Triggerverstärker
DF
Rückhaltevermögen Schreibfeder
SA
Anschreibunterbrechung
iT
Tintenfluss
SV
Ventil zum Tintenvorratsbehälter
CT
Zwischenspeicher


Anspruch[de]
Tintenschreibgerät mit einem hülsenförmigen Stiftschaft, einem zur Aufnahme der Tinte dienenden Vorratsbehälter mit Belüftungsöffnung, einer Schreibfeder mit Schreibfederspitze, einem die Tinte zur Schreibfederspitze führenden Tintenleitsystem, einer Mikropumpe, einem Ventil und mit einer Batterie oder einem Akku, dadurch gekennzeichnet,

– dass an der Schreibfederspitze (9.1) ein Kraftsensor (20) angeordnet ist, wobei die Andruckkraft der Schreibfederspitze (9.1) den Sollfluss der Tinte an der Schreibfederspitze (9.1) bestimmt und diesen als Stellgröße auf einen Regelkreis für ein im Tintenleiter angeordnetes regelbares Ventil (4144) und eine steuerbare Mikropumpe (4650) führt,

– dass im zur Schreibfederspitze (9.1) führenden Tintenleitkanal ein Flussmesser (35; 36) für den Istfluss der Tinte angeordnet ist, dessen ausgewertetes Signal auf den Regelkreis für den Tintenzufluß zur Schreibfederspitze (9.1) geführt wird und der Regelkreis ein Steuersignal für das regelbare Ventil (4144) und die Mikropumpe (4650) abgibt, wobei im Tintenleiter zwischen Ventil (4144) und Mikropumpe (4650) ein Tintenzwischenspeicher (45) angeordnet ist und durch Abziehen der die Schreibfeder (9) abdeckenden Kappe des Tintenschreibgerätes ein Endausschalter für den Regelkreis deaktiviert wird und

– dass erst der aktivierte Regelkreis die Mikropumpe (4650) zur Lieferung des Sollflusses der Tinte zur Schreibfederspitze (9.1) und das Ventil (4144) zur Nachlieferung von Tinte aus dem Vorratsbehälter (4) zur Mikropumpe (4650) ansteuert.
Tintenschreibgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur von Mikropumpe (46 bis 50), Zwischenspeicher (45), Einlass-Ventil (4144) und die Verbindungskanäle beidseitig der Oberfläche eines Kanalkörpers (10) eingeformt sind, die mit elastischen Platten (16, 17) abgedeckt sind und flüssigkeitsdicht miteinander verbunden sind. Tintenschreibgerät nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbare Mikropumpe (4650) eine bidirektionale dynamische Pumpe ist, die in Ruhe einen Strömungswiderstand darstellt. Tintenschreibgerät nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbare Mikropumpe (4650) durch Ansteuerung in beide Richtungen wirksam ist. Tintenschreibgerät nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die bidirektionale dynamische Mikropumpe (4650) von einem Piezo-Bimorphsystem (11) angetrieben wird. Tintenschreibgerät nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der den Sollfluss bestimmende Kraftsensor (20) aus einer Anordnung einer elastisch gelagerten Schreibfeder (9) unter Einwirkung auf eine Piezoplatte besteht. Tintenschreibgerät nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Abdeckplatte (16) durch einen Linearantrieb verformt wird und einen Ventilsitz (44) verschließt. Tintenschreibgerät nach Anspruch 1, 2 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearantrieb aus einem Piezostapel (28) mit Übersetzung der Stellbewegung durch einen Getriebehebel (27) und einer Formfeder (25) besteht. Tintenschreibkopf nach Anspruch 1, 2 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearantrieb ein Bimorph, bestehend aus Piezostreifen (29) und Biegefeder (30) ist. Tintenschreibkopf nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronik mit Signalwandlung der Sensoren, Signalprozessor, Stromversorgung, Spannungswandler für die Pump- und Ventilsteuerung in einem ASIC angeordnet sind.






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