EP2298559A2 - Tintenpatrone mit Elementen für Füllstandsdetektion - Google Patents

Tintenpatrone mit Elementen für Füllstandsdetektion Download PDF

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EP2298559A2
EP2298559A2 EP10008512A EP10008512A EP2298559A2 EP 2298559 A2 EP2298559 A2 EP 2298559A2 EP 10008512 A EP10008512 A EP 10008512A EP 10008512 A EP10008512 A EP 10008512A EP 2298559 A2 EP2298559 A2 EP 2298559A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
ink
cartridge
light
ink cartridge
cartridge according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10008512A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP2298559A3 (de
Inventor
Daniel Sulser
Lucio Bianco
Markus Vogel
Roland Steiner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Pelikan Hardcopy Production AG
Original Assignee
Pelikan Hardcopy Production AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Pelikan Hardcopy Production AG filed Critical Pelikan Hardcopy Production AG
Publication of EP2298559A2 publication Critical patent/EP2298559A2/de
Publication of EP2298559A3 publication Critical patent/EP2298559A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/17—Ink jet characterised by ink handling
    • B41J2/175—Ink supply systems ; Circuit parts therefor
    • B41J2/17566—Ink level or ink residue control
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/17—Ink jet characterised by ink handling
    • B41J2/175—Ink supply systems ; Circuit parts therefor
    • B41J2/17503—Ink cartridges
    • B41J2/17513—Inner structure

Definitions

  • the present invention relates to an ink cartridge for use in an ink jet printer.
  • the invention particularly relates to an ink cartridge which is detachably mounted on the ink jet printer.
  • ink cartridges in inkjet printers
  • the ink provided in the ink cartridge is consumed.
  • a multiple of the volume of ink reservoir in the cartridge's cartridge is consumed. If the ink supply is coming to an end, the cartridge must be manually replaced or filled by the user. For this reason, the ink cartridges provided in ink jet printers are usually designed as removable ink cartridges.
  • the user can not be expected to carry out a fill level check even at regular intervals.
  • This can take place purely optically piezoelectrically, mechanically / electrically or optically by means of a modified light barrier or without mechanical components.
  • a reliable level control which is realized only on the ink cartridge, but makes them unnecessarily expensive. Therefore, the light source and the light sensor are often provided on the printer while the optical path passes through optical elements provided on the ink cartridge.
  • the light source may be a source of visible light, infrared radiation or other electromagnetic radiation. It is only in the interaction between the printer and the ink cartridge that a signal therefore occurs when the ink provided in the ink cartridge comes to an end. Printer and ink cartridge therefore together form a detection device.
  • Such a detection device is known from the EP 955169 known.
  • the patent discloses an ink tank 101 comprising a transparent light reflecting prism 103 for detecting the presence or absence of ink in the ink tank 101, the prism 103 being provided on an inner surface of the ink tank 101.
  • a printer provided on the light source 105 emits a light beam 107, which penetrates through the hypotenuse of the light reflection prism 103 in this and a catheter surface of the light reflection prism hits.
  • the catheter surfaces of the prism 103 protrude into the interior of the ink tank and form an interface with the ink liquid unless the ink cartridge is nearly empty.
  • ink is present in the ink tank, then there is an interface to a liquid at the surface of the catheter.
  • the critical angle with respect to total reflection is higher for such an interface than the angle of incidence at which the light beam hits the catheter surface on the prism side.
  • the light beam is therefore not totally reflected at this interface, but transmits to a large extent in the ink, where it is rapidly absorbed.
  • the catheter surfaces form an air / prism material interface, resulting in a critical angle that is less than the angle of incidence of the light.
  • the light is totally reflected at the catheter surfaces and passes substantially completely through the hypotenuse surface out of the prism onto the light sensor provided on the printer.
  • the light signal measured by the light sensor is converted into information to the user that the ink cartridge is empty.
  • FIGS. 10A to 10C show a detection arrangement which is based on the Fresnel reflection.
  • FIG. 10C shows a light source whose light is partially reflected at the planar bottom of an ink tank and reaches a detector to a small extent. In this way, the presence or absence of a plastic ink interface can be detected.
  • the differences in the reflection signal are only relatively weak.
  • the housing material has a refractive index of about 1.5, the result is an air-housing interface with normal incidence only a reflection of about 6% and at an ink-housing interface, a reflection of about 0.1% , It must be remembered that this approach always involves two interfaces, one of which - the outer - is always an air-housing interface, so that this outer interface in each case reflects 6% of the light.
  • FIGS. 10A and 10B of FIG EP0860284B1 show a variant in which the cartridge bottom is convex so that it takes the form of a concave mirror with focal point.
  • a near-focus light source emits light toward the curved cartridge bottom.
  • a detector located near the focal point is a detector intended to detect the light reflected from the bottom of the cartridge. In this way it should be achieved that a higher percentage of the light emitted by the light source is reflected.
  • the difficulty arises that the light source and detector must be positioned very close to each other (near the focal point).
  • the light source emits coherent or at least partially coherent light, in addition very difficult to control interference effects can occur and can falsify the already weak detection signal anyway.
  • the object of the present invention is therefore to specify an ink cartridge in which the measures for the detection device do not lead to a loss of ink volume and may lead to a more accurate, not premature display of an empty tank volume and lead to a reliable and easy to detect signal.
  • an ink cartridge is specified whose measures for the detection device have a greater angular tolerance and are therefore easier to manufacture.
  • the risk of angular deviation is significantly reduced.
  • the wall at which the total reflection to be measured takes place unmodified. That means the tank bottom can simply stay as flat as it already is.
  • an oblique cartridge bottom in front of the drainage of ink residue to result and accordingly also gravitational floor is called.
  • This oblique cartridge bottom can be designed plan. This is achieved, for example, by supplying the light beam to the tank bottom at an angle which is below the critical angle if there is still ink in the tank and is above the critical angle if the tank is empty.
  • FIG. 1 On the left side, an ink cartridge according to the prior art is in a filled state. Light falling from the bottom of the ink cartridge onto a cathode surface of the reflection prism shown impinges there at an angle of approximately 45 °. Since the ink cartridge is filled with liquid, there is no total reflection and most of the light is transmitted to the inside of the cartridge tank. In contrast, the near-empty cartridge status is shown on the right side. Here a two-time total reflection takes place and the light beam reaches the sensor. From the FIG. 1 it becomes clear that in this case an empty tank is displayed even though there is still ink in the tank. In addition, the prism occupies a significant proportion of the tank volume, which is no longer available for ink. Furthermore, such a component is difficult to produce with an injection molding process, since due to the massive prism, the cooling behavior leads to significant deformations.
  • FIG. 2 shows on the left side the cross section of an inventive ink cartridge 201 according to a first embodiment with embedded in the cartridge bottom 203 trapezoidal body 205. It can clearly be seen that the reflection point is placed in the plane which is formed by the cartridge bottom. This is made possible in the present embodiment by indentations 207, 207 'in the cartridge bottom, since now the trapezoidal body 205 is at the height of the trapezoidal bottom. In this way, on the one hand, it is ensured that the total reflection only takes place when the tank is actually empty. On the other hand, it is thus achieved that there are no significant volume losses in the cartridge tank. In addition, the trapezoidal body 205 used here has much less mass than the triangular prism known from the prior art. On the right side, the same cartridge is shown in an empty state. Here it becomes clear that only when almost no ink is left in the tank, the empty state is displayed.
  • a body with a curved surface can also be used. This can be, for example, a half cylinder or a hemisphere. But also one Body showing in cross section the shape of a parabola can be used, then with the particular advantage that, as in the rectangular prism, the light beam at the same angle emerges from the body as it has entered, the ink tank should be empty. Important in all these geometries, however, is that the conditions for total reflection (full state: no, empty state: yes) are met.
  • FIG. 3 shows an inventive ink cartridge 301 according to a second embodiment.
  • a total reflection body on the cartridge bottom 303 is present, for example in the form of a half hollow cylinder 305.
  • the cylinder material is polypropylene (PP).
  • PP polypropylene
  • the geometry is chosen so that the angle of incidence on the essential interface is 57.5 °. Thus, with each total reflection, the beam direction is changed by 45 °.
  • the beam direction is reversed and should exit from the cylinder jacket.
  • the attentive expert will notice that there is now more than one level at which the light can enter the still-inked tank. In the example, there are two (three, because of the symmetry they are actually only two) planes. It should be noted, however, that due to the Fresnel reflections only a portion of the light enters the tank, although the total reflection condition is not met. However, this means that if the light sensor can also analyze luminous intensity differences, the discharge state can be displayed in more detail. First, the liquid surface reaches the upper level. Due to the lack of light now at these points, the light signal is stronger and the measurement of the light sensor can be transformed into a signal "cartridge almost empty" to the user.
  • FIG. 4 another embodiment of the present invention. Shown here is the cross section through an ink cartridge 401
  • the cartridge bottom 403 remains unchanged plan and the question of whether there is still ink in the cartridge tank decides at an interface.
  • the light beam entering a first extension 405 is totally reflected on a first surface 407 towards the bottom of the cartridge.
  • the light beam exiting the bottom surface is absorbed in the ink.
  • the light beam is further totally reflected on the bottom surface 409 and totally reflected on a second inclined surface 407 'of a second extension 405', so that the light beam can exit vertically.
  • First extension 405, parts of the cartridge base 403 and second extension 405 'therefore form a kind of light guide
  • the cartridge may be beneficial to provide the cartridge with a slanted bottom to allow for secure detection when the cartridge is empty.
  • such an inclination would run into the image plane. It is therefore in the FIG. 4 not to be seen.
  • the side walls of the light guide which are preferably parallel in the case of a flat bottom, must now be set at an angle to one another when the light source and light sensor of the detection device are in the same position relative to the longitudinal axis of the cartridge.
  • there would be an undesirable deflection of the light beam which would be counteracted for example by offsetting the transmitter and receiver positions.
  • the input and output surface of the light guide can be bevelled so that the light beam is deflected due to the refraction at this interface such that the side walls can still be performed in parallel.
  • FIG. 5 shows a further embodiment according to the present invention.
  • the cartridge bottom 503 itself is designed as a light guide.
  • a first diffraction grating 505 is provided on the cartridge bottom 503, which diffracts the light beam into the cartridge bottom.
  • this diffraction grating 505 is arranged outside and formed as a surface structure.
  • binary and / or symmetric surface gratings can be used here.
  • sawtooth gratings are provided which effectively and asymmetrically divide the light beam into one Couple diffraction order.
  • absorption grids or phase gratings are also possible.
  • the light beam is incident on a second diffraction grating 505 '.
  • the light beam uncouples in the original direction and falls on the light sensor.
  • this only applies if there is no more ink in the cartridge tank. Otherwise, the light beam is absorbed by the ink as in the other embodiments.
  • diffraction gratings can be produced very well by injection molding because of their dimensioning: these gratings have a grating period in the range of 10 ⁇ m to several hundred ⁇ m, the grating period defining the propagation direction of the diffraction order. With an optimal grid depth, a diffraction efficiency of a sawtooth grid can be optimized to almost 100%. If, as already described above, an obliquely positioned cartridge arc, the diffraction gratings can easily be rotated in their orientation in order to arrive at the desired optical path due to conical diffraction.
  • the invention can be used in a so-called two-chamber cartridge.
  • FIG. 6 such a two-chamber cartridge 1 is shown schematically.
  • the two-chamber cartridge 1 has a housing made of plastic, which is subdivided by a partition 7 into an ink chamber 3 and a storage chamber 5 in fluid communication with the ink chamber 3.
  • a non-illustrated capillary ink storage is usually included, for example, a porous sponge or a nonwoven material in which the liquid ink is stored.
  • the storage chamber 20 is in fluid communication with an ink discharge 11 formed on the underside of the housing, which is coupled to a supply port of the printer when the ink cartridge 1 is properly inserted into a cartridge receptacle of the printer so that ink from the ink cartridge 1 is supplied to a printhead as needed.
  • the two-chamber cartridge also comprises, for example, a ventilation device 13 closed by a tear-open film, which is connected to at least one ventilation opening 15 via at least one channel, for example closed by a film, not shown here. This avoids that when the decrease Ink volume creates a negative pressure.
  • a so-called bubble generator 17 which is connected via a second ventilation opening 15 with the ventilation device 13, and a gravity base 19 and the inventive light guide 21st
  • the gravitational bottom 19 is formed substantially as a plane inclined plane. In this way, it is achieved that ink residues flow off in the direction of the storage chamber 5, thereby ensuring reliable draining and dewetting of the ink.
  • the inventive light guide 21 is provided at the gravitational bottom 19 .
  • the ink chamber 3 has little bottom surface, and thus filling level detection has only a small space available for arranging optical elements. In connection with such, often very narrow trained two-chamber cartridge 1, the provision of an inventive light guide is therefore particularly advantageous.
  • such a two-chamber cartridge is usually designed to be very narrow.
  • considerable ink tank volume can be saved, which is a particularly big advantage in narrow ink cartridges.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Tintenpatrone mit Tintentank der einen Patronenboden umfasst für den Einsatz in einem Tintenstrahldrucker welcher über eine Lichtquelle und einen Lichtsensor verfügt, wobei an der Tintenpatrone Mittel zur Strahlumlenkung für eine Füllstandsdetektion vorgesehen sind dergestalt, dass bei leerem Tintentank ein von der Lichtquelle ausgehender Lichtstrahl über eine oder mehrere Totalreflektionen zum Lichtsensor abgelenkt wird und bei nicht leerem Tintentank zumindest eine der Totalreflektionen ausgeschaltet ist und dadurch wesentliche Bestandteile des Lichtstrahls nicht zum Lichtsensor gelangen. Die Tintenpatrone ist dadurch gekennzeichnet dass die für die zumindest eine der Totalreflektionen verantwortliche Grenzfläche im Wesentlichen in der Ebene des Patronenbodens liegt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Tintenpatrone zur Verwendung in einem Tintenstrahldrucker. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Tintenpatrone welche abnehmbar am Tintenstrahldrucker montiert ist.
  • Der Einsatz von Tintenpatronen in Tintenstrahldruckern ist bekannt. Ebenso ist bekannt, dass bei der Nutzung des Druckers die in der Tintenpatrone vorgesehene Tinte verbraucht wird. Typischerweise wird während der Lebensdauer eines Druckers ein Vielfaches des Volumens des Tintenvorrates im Tank der Patrone verbraucht. Neigt sich der Tintenvorrat dem Ende zu, so muss die Patrone durch den Anwender manuell ausgetauscht oder aufgefüllt werden. Aus diesem Grund sind die in Tintenstrahldruckern vorgesehenen Tintenpatronen in der Regel als abnehmbare Tintenpatronen konzipiert.
  • Allerdings ist es dem Anwender nicht zuzumuten selbst in regelmässigen Abständen eine Füllstandskontrolle durchzuführen. Diese kann beispielsweise piezoelektrisch, mechanisch/elektrisch bzw. optisch mittels einer modifizierten Lichtschranke oder ohne mechanische Bauteile rein optisch stattfinden. Eine zuverlässige Füllstandskontrolle, die ausschliesslich an der Tintenpatrone realisiert ist, macht diese allerdings unnötig teuer. Daher wird die Lichtquelle und der Lichtsensor häufig am Drucker vorgesehen, während der Strahlengang über an der Tintenpatrone vorgesehene optische Elemente verläuft. Dabei kann die Lichtquelle eine Quelle für sichtbares Licht, Infrarotstrahlung oder sonstige elektromagnetische Strahlung sein. Erst im Zusammenspiel zwischen Drucker und Tintenpatrone kommt es daher zu einem Signal, wenn sich die in der Tintenpatrone vorgesehene Tinte zu Ende neigt. Drucker und Tintenpatrone bilden daher gemeinsam eine Detektionseinrichtung.
  • Eine solche Detektionseinrichtung ist aus der EP 955169 bekannt. Die Patentschrift offenbart einen Tintentank 101, der ein transparentes Lichtreflexionsprisma 103 zum Erfassen des Vorhandenseins oder der Abwesenheit von Tinte in dem Tintentank 101 umfasst, wobei das Prisma 103 auf einer inneren Oberfläche des Tintentanks 101 vorgesehen ist. Eine am Drucker vorgesehene Lichtquelle 105 sendet einen Lichtstrahl 107 aus, welcher durch die Hypotenuse des Lichtreflexionsprismas 103 in dieses eindringt und auf eine Kathetenfläche des Lichtreflexionsprismas trifft. Die Kathetenflächen des Prismas 103 ragen ins Innere des Tintentanks und bilden mit der Tintenflüssigkeit eine Grenzfläche, sofern die Tintenpatrone nicht nahezu leer ist.
  • Ist Tinte im Tintentank vorhanden, so liegt an der Kathetenfläche also eine Grenzfläche zu einer Flüssigkeit vor. Der bezüglich Totalreflexion kritische Winkel liegt für eine solche Grenzfläche höher als der Einfallswinkel unter dem der Lichtstrahl prismenseitig auf die Kathetenfläche trifft. Der Lichtstrahl wird daher an dieser Grenzfläche nicht totalreflektiert, sondern transmittiert zum Grossteil in die Tinte, wo er rasch absorbiert wird.
  • Ist demgegenüber nahezu keine Tinte mehr im Tintentank vorhanden so bilden die Kathetenflächen eine Luft/Prismenmaterial-Grenzfläche, was zu einem kritischen Winkel führt, der kleiner als der Einfallswinkel des Lichtes ist. In der Konsequenz wird das Licht an den Kathetenflächen totalreflektiert und tritt im Wesentlichen vollständig durch die Hyptenusenfläche aus den Prisma heraus auf den am Drucker vorgesehenen Lichtsensor. Das vom Lichtsensor gemessene Lichtsignal wird in eine Information an den Anwender umgewandelt, dass die Tintenpatrone leer ist.
  • Allerdings hat diese Ausführungform der Messsensorik verschiedene wesentliche Nachteile:
    • Die beschriebene Konstruktion zeigt einen leeren Tintentank an, obwohl noch einiges an Resttinte vorhanden ist.
    • Das beschriebene Lichtreflexionsprisma verkleinert das für die Tinte zur Verfügung stehende Volumen erheblich.
    • Nachteilig an dem oben geschilderten System ist ausserdem, dass die relative Ausrichtung der Kathetenflächen zueinander sehr kritisch ist. Wird der Winkel aufgrund irgendeines Umstandes nicht eingehalten so wird der Lichtstrahl im Falle des leeren Tintenbehälters in eine nicht vorgesehene Richtung abgelenkt und verfehlt den Lichtsensor. Damit versagt die Detektionseinrichtung. Die Winkeltoleranz dieses Systems ist daher entsprechend gering. Dabei ist umso nachteiliger, dass aufgrund der Geometrie des zwingend massiven Prismas beispielsweise bei der Herstellung mittels Spritzgusses Schwierigkeiten auftreten, die dazu führen können, dass die Flächen stark verformt sind. So zeigen unterschiedliche Materialdicken, wie sie im massiven Prisma vorliegen ein sehr stark unterschiedliches Abkühlverhalten, was zu einer Verformung der Prismenflächen führen kann.
  • Ein anderer ebenfalls rein optischer Ansatz ist beispielsweise aus der EP0860284B1 bekannt. Dort zeigen insbesondere die Figuren 10A bis 10C eine Detektionsanordnung, welche auf der Basis der Fresnelreflexion beruht. In der dortigen Figur 10C ist eine Lichtquelle gezeigt, deren Licht am planen Boden eines Tintentanks teilweise reflektiert wird und zu einem geringen Teil zu einem Detektor gelangt. Auf diese Weise lässt sich das Vorhandensein oder die Abwesenheit einer Kunststoff-Tinten Grenzfläche detektieren. Allerdings sind die Unterschiede im Reflexionssignal lediglich relativ schwach. Wird angenommen, dass das Gehäusematerial einen Brechungsindex von ca. 1.5 besitzt, so ergibt sich bei einer Luft-Gehäuse-Grenzfläche bei senkrechtem Einfall lediglich eine Reflexion von ca. 6% und bei einer Tinte-Gehäuse-Grenzfläche eine Reflexion von ca. 0.1%. Dabei muss berücksichtigt werden, dass mit diesem Ansatz immer zwei Grenzflächen eine Rolle spielen, von denen eine - die äussere - immer eine Luft-Gehäuse-Grenzfläche ist, so dass diese äussere Grenzfläche in jedem Fall 6% des Lichtes reflektiert.
  • Die Figuren 10A und 10B der EP0860284B1 zeigen eine Variante bei der der Patronenboden konvex gewölbt ist, so dass er die Form eines Hohlspiegels mit Brennpunkt annimmt. Eine nahe dem Brennpunkt angeordnete Lichtquelle sendet Licht in Richtung des gewölbten Patronenbodens aus. Ebenfalls in der Nähe des Brennpunktes angeordnet ist ein Detektor, der das vom Patronenboden reflektierte Licht erfassen soll. Auf diese Weise soll erreicht werden, dass ein höherer Prozentsatz des von der Lichtquelle ausgesandten Lichtes reflektiert wird. Hierbei tritt allerdings die Schwierigkeit auf, dass Lichtquelle und Detektor sehr nahe beieinander (in der Nähe des Brennpunktes) positioniert werden müssen.
  • Es kommt hinzu, dass, falls die Lichtquelle kohärentes oder zumindest partiell kohärentes Licht aussendet, zusätzlich sehr schwer zu kontrollierende Interferenzeffekte auftreten können und das sowieso bereits schwache Detektionssignal verfälschen können.
  • Es kann daher festgehalten werden, dass sowohl der im Stand der Technik bekannte rein optische Ansatz auf der Basis von Fresnelreflexionen, als auch der bekannte Ansatz auf der Basis des Reflexionsprismas wie oben geschildert zu technischen Problemen führt, wenn auch unterschiedlicher Natur. Interessanterweise werden in der EP0860284B1 auch beide Ansätze getrennt diskutiert, ohne jedoch auf eine Lösung der jeweils damit verbundenen technischen Probleme hinzudeuten.
  • Es besteht daher ein Bedürfnis nach einer Tintenpatrone die die oben geschilderten Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise, vorzugsweise ganz überwindet.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine Tintenpatrone anzugeben, bei der die Massnahmen für die Detektionseinrichtung nicht zu einem Verlust von Tintenvolumen führen sowie zu einem genaueren, nicht vorzeitigen Anzeigen eines leeren Tankvolumens führen darf und die zu einem zuverlässigen und einfach zu detektierenden Signal führen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Tintenpatrone angegeben, deren Massnahmen für die Detektionseinrichtung eine grössere Winkeltoleranz aufweisen und damit einfacher herzustellen sind. In einer besonders bevorzugten Form ist die Gefahr einer Winkelabweichung wesentlich herabgesetzt.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird analog zum Stand der Technik aufgrund des sich ändernden Totalreflexionswinkels ermittelt, ob sich noch Tinte in der Tintenpatrone befindet oder nicht. Allerdings wird erfindungsgemäss die Stelle oder die Stellen der Totalreflexion auf die Höhe eines Tankbodens der Tintenpatrone verlegt. Dadurch ändert sich die Bedingung für die Totalreflexion tatsächlich erst dann, wenn der Tank komplett geleert ist. Ausserdem ragen die für die Totalreflexion notwendigen Flächen wenn überhaupt, dann unwesentlich in den Bereich des Tanks hinein. Somit ergibt sich kein oder lediglich ein unwesentlicher Volumenverlust für das Tankvolumen.
  • Entsprechend einer bevorzugten Weiterentwicklung der vorliegenden Erfindung ist lediglich eine Fläche für die Entscheidung massgeblich, ob sich Tinte im Tank befindet oder nicht. Dies hat den Vorteil, dass es gerade nicht verschiedener, an den Tintenbehälter ausgebildeter Wände bedarf, die mit Bezug zueinander geneigt sind. Erfindungsgemäss kann die Wand an der die zu messende Totalreflexion stattfindet unmodifiziert bleiben. D.h. der Tankboden kann einfach so plan bleiben, wie er bereits ist. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform liegt ein schräger Patronenboden vor der ein Abfliessen von Tintenresten zu Folge hat und dementsprechend auch Gravitationsboden genannt wird. Auch dieser schräge Patronenboden kann plan ausgestaltet sein. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht dass der Lichtstrahl dem Tankboden unter einem Winkel zugeführt wird, der unterhalb des kritischen Winkels ist falls sich noch Tinte in dem Tank befindet und der oberhalb des kritischen Winkels ist falls der Tank leer ist.
  • Die Erfindung wird nun im Detail und anhand der Figuren beispielhaft erläutert.
  • Dabei zeigen:
    • Figur 1; Querschnitt einer Tintenpatrone gemäss Stand der Technik
    • Figur 2: Querschnitt einer Tintenpatrone gemäss einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit versenktem Trapez.
    • Figur 3: Querschnitt einer Tintenpatrone gemäss einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit halbkugelförmigem Reflexionskörper
    • Figur 4: Querschnitt einer Tintenpatrone gemäss einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wobei die Innenwand des Tanks keine Modifikation aufweisst.
    • Figur 5: Querschnitt einer Tintenpatrone gemäss einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Beugungsgitter wobei die Innenwand des Tanks keine Modifikation aufweisst.
    • Figur 6: Längsschnitt einer Zweikammerpatrone mit erfindungsgemässem Lichtleiter
    • Figur 7: Perspektivische Ansicht einer schmalen Zweikammerpatrone.
  • Zunächst einmal soll anhand eines Materialbeispiels die für das Funktionieren der Detektionseinrichtung notwendigen Bedingungen für die Einfallswinkel erläutert werden:
    • Als Material für die Tintenpatrone kommt beispielsweise Polypropylene (PP) in Frage. PP hat einen Brechungsindex von ca. 1.5. Die Tinte hat einen Brechungsindex von ca. 1.4. Für Luft wird ein Brechungsindex von 1 angenommen. Damit liegt der kritische Winkel für die PP/Tinte-Grenzfläche bei ca. 69°, während der kritische Winkel für die PP/Luft Grenzfläche zu einem kritischen Winkel von 42° führt. Soll anhand der Totalreflexion entschieden werden, ob noch Tinte im Tintentank ist so sollte der Einfallswinkel über 42° und unter 69° liegen. Als Beispiele bieten sich 45°, 57.2° oder 64° an.
  • Figur 1 stellt auf der linken Seite eine Tintenpatrone gemäss Stand der Technik in gefülltem Zustand dar. Licht, welches vom Boden der Tintenpatrone auf eine Kathodenfläche des gezeigten Reflexionsprismas fällt trifft dort unter einem Winkel von ca. 45° auf. Da die Tintenpatrone mit Flüssigkeit gefüllt ist, findet keine Totalreflexion statt und der Grossteil des Lichtes transmittiert in das Innere des Patronentanks. Demgegenüber ist auf der rechten Seite der nahezu leere Patronenzustand dargestellt. Hier findet eine zweimalige Totalreflexion statt und der Lichtstrahl gelangt zu dem Sensor. Aus der Figur 1 wird deutlich, dass in diesem Fall ein leerer Tank angezeigt wird, obwohl noch Tinte im Tank vorhanden ist. Ausserdem nimmt das Prisma einen erheblichen Anteil des Tankvolumens ein, welche nicht mehr für Tinte zur Verfügung steht. Des Weiteren lässt sich eine solche Komponente nur schwer mit einem Spritzgussverfahren herstellen, da aufgrund des doch massiven Prismas das Abkühlverhalten zu erheblichen Verformungen führt.
  • Figur 2 zeigt auf der linken Seite den Querschnitt einer erfindungsgemässen Tintenpatrone 201 gemäss einer ersten Ausführungsform mit in den Patronenboden 203 eingebettetem Trapezkörper 205. Dabei ist deutlich zu sehen, dass der Reflexionspunkt in die Ebene gelegt ist, welche durch den Patronenboden gebildet wird. Dies wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch Einformungen 207, 207' in den Patronenboden ermöglicht, da nun der Trapezkörper 205 auf Höhe des Trapezbodens ist. Auf diese Weise wird einerseits sichergestellt, dass erst dann die Totalreflexion stattfindet, wenn der Tank tatsächlich leer ist. Auf der anderen Seite ist somit erreicht, dass es keine wesentlichen Volumeneinbussen im Patronentank gibt. Ausserdem hat der hier eingesetzte Trapezkörper 205 viel weniger Masse als das aus dem Stand der Technik bekannte Dreiecksprisma. Auf der rechten Seite ist dieselbe Patrone in leerem Zustand gezeigt. Hierbei wird deutlich, dass erst wenn nahezu keine Tinte mehr im Tank ist, der leere Zustand angezeigt wird.
  • Anstelle des Trapezkörpers 205 kann auch ein Körper mit gekrümmter Oberfläche eingesetzt werden. Dies kann beispielsweise ein halber Zylinder oder eine Halbkugel sein. Aber auch ein Körper der im Querschnitt die Form einer Parabel zeigt, lässt sich einsetzten, dann mit dem besonderen Vorteil, dass, ähnlich wie beim rechtwinkligen Prisma der Lichtstrahl unter demselben Winkel aus dem Körper tritt wie er eingetreten ist, sollte der Tintentank leer sein. Wichtig bei all diesen Geometrien ist allerdings, dass die Bedingungen für die Totalreflexion (voller Zustand: nein, leerer Zustand: ja) eingehalten werden.
  • Figur 3 zeigt eine erfindungsgemässe Tintenpatrone 301 gemäss einer zweiten Ausführungsform. Auf der linken Seite ist die Tintenpatrone 301 in gefülltem Zustand dargestellt, auf der rechten Seite im leeren Zustand. Auch hier ist ein Totalreflexionskörper am Patronenboden 303 vorhanden, beispielsweise in Form eines halben Hohlzylinders 305. Gemäss dieser Ausführungsform soll erreicht werden, dass bei leerem Zustand das Licht über eine Vielzahl von Totalreflexionen am äusseren Zylindermantel entlanggeführt wird, wie auf der rechten Seite gezeigt. Auch hier muss darauf geachtet werden, dass die Bedingungen für die Totalreflexion eingehalten werden. Als Zylindermaterial kommt Polypropylen (PP) in Frage. Im Beispiel wird die Geometrie so gewählt, dass der Einfallswinkel auf die wesentliche Grenzfläche 57.5° beträgt. Damit wird mit jeder Totalreflexion die Strahlrichtung um 45° geändert. Nach vier Reflexionen ist die Strahlrichtung umgekehrt und sollte aus dem Zylindermantel austreten. Dem aufmerksamen Fachmann fällt hierbei auf, dass es nun mehr als eine Ebene gibt an denen das Licht in den noch mit Tinte gefüllten Tank eintreten kann. Im Beispiel sind es zwei (drei? Es sind, aufgrund der Symmetrie tatsächlich nur zwei) Ebenen. Dabei ist aber zu beachten, dass aufgrund der Fresnelreflexionen lediglich ein Teil des Lichtes in den Tank tritt, obwohl die Totalreflexionsbedingung nicht erfüllt ist. Dies bedeutet aber, dass, falls der Lichtsensor auch Lichtstärkeunterschiede analysieren kann, der Entleerzustand genauer aufgeschlüsselt angezeigt werden kann. Zunächst erreicht die Flüssigkeitsoberfläche die obere Ebene. Aufgrund des nun an diesen Punkten nicht mehr vorhandenen Lichtveriustes wird das Lichtsignal stärker und die Messung des Lichtsensors kann in ein Signal "Patrone fast leer" an den Anwender transformiert werden. Erreicht der Flüssigkeitsspiegel die untere Ebene, so wird das Lichtsignal maximal. Am Rand des Hohlzylinders 305 sind vorzugsweise im Patronenboden Einformungen 307, 307' vorgesehen, so dass die untere Ebenen auf Höhe des Patronenbodens 303 liegen kann. Dem Anwender kann die Nachricht vermittelt werden "Patrone ganz leer".
  • Figur 4 eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Gezeigt ist auch hier der Querschnitt durch eine Tintenpatrone 401 Hierbei bleibt der Patronenboden 403 unverändert plan und die Frage, ob noch Tinte im Patronentank vorhanden ist entscheidet sich an einer Grenzfläche. Der in einen ersten Fortsatz 405 senkrecht eintretender Lichtstrahl wird an einer ersten Fläche 407 zum Patronenboden hin totalreflektiert. Wenn die Patrone voll Tinte ist (linkes Bild), wird der an der Bodenfläche austretende Lichtstrahl in der Tinte absorbiert. Wenn die Patrone hingegen leer ist, wird der Lichtstrahl an der Bodenfläche 409 weiter totalreflektiert und an einer zweiten schrägen Fläche 407' eines zweiten Fortsatzes 405' auch wieder totalreflektiert, so dass der Lichtstrahl abschliessen senkrecht austreten kann. Erster Fortsatz 405, Teile des Patronenbodens 403 und zweiter Fortsatz 405' bilden daher eine Art Lichtleiter
  • In einigen Fällen kann es von Vorteil sein, die Patrone mit einem schräggestellten Boden auszustatten, um eine sichere Detektion bei leerer Patrone zu ermöglichen. In der Figur 4 würde eine solche Schrägstellung in die Bildebene hinein verlaufen. Sie ist daher in der Figur 4 nicht zu sehen. Durch die Schrägstellung des Bodens, müssen die bei ebenem Boden im Längsschnitt bevorzugt parallel ausgeführten Seitenwände des Lichtleiters nun in einem Winkel gegeneinander gestellt werden, wenn sich Lichtquelle und Lichtsensor der Detektionseinrichtung in einer bezüglich der Längsachse der Patrone gleichen Position befinden. Andererseits käme es zu einer unerwünschten Ablenkung des Lichtstrahls, dem beispielsweise durch ein Versetzen der Sender und Empfängerpositionen entgegenzuwirken wäre. Alternativ kann auch die Ein- und Austrittsfläche des Lichtleiters so angeschrägt werden, dass der Lichtstrahl aufgrund der Brechung an dieser Grenzfläche derart abgelenkt wird, dass die Seitenwände doch parallel ausgeführt werden können.
  • Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform gemäss vorliegender Erfindung. Hierbei ist der Patronenboden 503 selbst als Lichtleiter ausgebildet. Bei dieser Ausführungsform ist am Patronenboden 503 ein erstes Beugungsgitter 505 vorgesehen, welches den Lichtstrahl in den Patronenboden hinein beugt. Vorzugsweisse ist dieses Beugungsgitter 505 aussen angeordnet und als Oberflächenstruktur ausgebildet. Zwar können hierbei binäre und/oder symmetrische Oberflächengitter zum Einsatz kommen. Vorzugsweise sind aber Sägezahngitter vorgesehen, welche den Lichtstrahl effektiv und asymmetrisch in eine Beugungsordnung koppeln. Anderseits sind aber auch Absorptionsgitter oder Phasengitter möglich. Nach einer oder mehreren Totalreflektionen fällt der Lichtstrahl auf ein zweites Beugungsgitter 505'. Der Lichtstrahl koppelt in die ursprüngliche Richtung aus und fällt auf den Lichtsensor. Dies trifft natürlich nur dann zu, wenn keine Tinte mehr im Patronentank vorhanden ist. Andernfalls wird der Lichtstrahl durch die Tinte wie auch bei den anderen Ausführungsformen absorbiert. Vorteilhaft in diesem Zusammenhang ist, dass sich solche Beugungsgitter aufgrund ihrer Dimensionierung sehr gut mittels Spritzgussverfahren herstellen lassen: Diese Gitter haben eine Gitterperiode im Bereich von 10µm bis mehreren hundert µm, wobei die Gitterperiode die Propagationsrichtung der Beugungsordnung festlegt. Bei einer optimalen Gittertiefe kann eine Beugungseffizienz eines Sägezahngitters auf nahezu 100% optimiert werden. Liegt, wie bereits oben beschrieben, ein schräggestellter Patronenbogen vor, so können die Beugungsgitter in ihrer Orientierung leicht verdreht werden, um aufgrund konischer Beugung zum erwünschten optischen Weg zu gelangen.
  • Besonders vorteilhaft kann die Erfindung in einer sogenannten Zweikammerpatrone eingesetzt werden. In Figur 6 ist eine solche Zweikammerpatrone 1 schematisch dargestellt. Die Zweikammerpatrone 1 hat ein aus Kunststoff gefertigtes Gehäuse, das durch eine Trennwand 7 in eine Tintenkammer 3 und eine mit der Tintenkammer 3 in Strömungsverbindung stehende Speicherkammer 5 untergliedert ist. In der Speicherkammer 5 ist üblicherweise ein nicht weiter dargestellter kapillarer Tintenspeicher aufgenommen, beispielsweise ein poröser Schwamm oder ein Vliesmaterial, in dem die flüssige Tinte gespeichert ist.
  • Die Speicherkammer 20 steht mit einer an der Unterseite des Gehäuses ausgebildeten Tintenentnahme 11 in Strömungsverbindung, welche bei ordnungsgemäss in eine Patronenaufnahme des Druckers eingesetzter Tintenpatrone 1 mit einem Versorgungsanschluss des Druckers gekoppelt ist, so dass Tinte aus der Tintenpatrone 1 bedarfsmässig einem Druckkopf zugeführt wird. Die Zweikammerpatrone umfasst ausserdem eine bspw. durch eine Aufreissfolie verschlossene Belüftungseinrichtung 13, die über zumindest einem in der Oberfläche vorgesehenen bspw. durch eine Folie geschlossenen, hier nicht näher dargestellten Kanal, mit zumindest einer Belüftungsöffnungen 15 verbunden ist. Dadurch wird vermieden, dass bei Abnahme des Tintenvolumens ein Unterdruck entsteht. Ausserdem gezeigt in Figur 6 ist ein sogenannte Bubblegenerator 17 der über eine zweiten Belüftungsöffnung 15 mit der Belüftungsvorrichtung 13 verbunden ist, sowie ein Gravitationsboden 19 und der erfindungsgemässe Lichtleiter 21.
  • Der Gravitationsboden 19 ist im Wesentlichen als plane schiefe Ebene ausgebildet. Hierdurch wird erzielt, dass Tintenreste in Richtung Speicherkammer 5 abfliessen und dadurch ein sicheres Abfliessen und Entnetzen der Tinte gewährleistet ist. Am Gravitationsboden 19 vorgesehen ist der erfindungsgemässe Lichtleiter 21 entsprechend der Figuren 2, 3, 4 oder 5. Bei dieser Zweikammerpatrone fällt auf, dass die Tintenkammer 3 wenig Bodenfläche aufweisst und damit Füllstandsdetektion ein lediglich geringer Raum zur Anordnung optischer Elemente zur Verfügung steht. In Verbindung mit einer solchen, oftmals sehr schmal ausgebildeten Zweikammerpatrone 1 ist das Vorsehen eines erfindungsgemässen Lichtleiters daher besonders vorteilhaft.
  • Wie in Figur 7 dargestellt, ist eine solche Zweikammerpatrone üblicherweise sehr schmal ausgebildet. Durch die Verwirklichung der erfindungsgemässen Detektionsvorrichtung kann erhebliches Tintentankvolumen eingespart werden, was bei schmalen Tintenpatronen einen besonders grossen Vorteil darstellt.

Claims (12)

  1. Tintenpatrone mit Tintentank der einen Patronenboden umfasst für den Einsatz in einem Tintenstrahldrucker welcher über eine Lichtquelle und einen Lichtsensor verfügt, wobei an der Tintenpatrone Mittel zur Strahlumlenkung für eine Füllstandsdetektion vorgesehen sind dergestalt, dass bei leerem Tintentank ein von der Lichtquelle ausgehender Lichtstrahl über eine oder mehrere Totalreflektionen zum Lichtsensor abgelenkt wird und bei nicht leerem Tintentank zumindest eine der Totalreflektionen ausgeschaltet ist und dadurch wesentliche Bestandteile des Lichtstrahls nicht zum Lichtsensor gelangen, dadurch gekennzeichnet dass die für die zumindest eine der Totalreflektionen verantwortliche Grenzfläche im Wesentlichen in der Ebene des Patronenbodens liegt
  2. Tintenpatrone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Strahlumlenkung dergestalt ausgebildet sind, dass der Lichtstrahl in zumindest einer weiteren, von der Ebene des Patronenbodens verschiedenen Ebene reflektiert, vorzugsweise totalreflektiert werden kann.
  3. Tintenpatrone nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der Patrone ein erster Fortsatz (405) mit einer erste Grenzfläche (407) und ein zweiter Fortsatz (405') mit zweiter Grenzfläche (407') und am Patronenboden eine dritte Grenzfläche (409) zur Reflexion des Lichtstrahls vorgesehen ist, wobei die erste und die zweite Grenzfläche nicht an das Innere des Tintentanks grenzt.
  4. Tintenpatrone nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Normale auf die erste Grenzfläche nicht in einer Ebene mit der Normalen auf der zweiten Grenzfläche liegt.
  5. Tintenpatrone nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Normale auf die für den Lichteintritt in den ersten Fortsatz (405) vorgesehene Fläche gegenüber der durch die Propagationsrichtung des Lichtstrahls vor Eintritt definierte Achse geneigt ist und die Normale auf die für den Lichtaustritt aus dem zweiten Fortsatz (405') vorgesehene Fläche im Wesentlichen dieselbe Neigung aufweisst.
  6. Tintenpatrone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Patronenboden einen Totalreflexionskörper (205, 305) aufweisst, welcher durch Einformungen (207, 207', 307, 307') begrenzt ist.
  7. Tintenpatrone nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Totalreflexionskörper einen Trapezkörper (205) oder einen halben Hohlzylinder (305) umfasst.
  8. Tintenpatrone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Patronenboden erste Beugungsgitter (505) zum Einkoppeln von Licht vorgesehen sind
  9. Tintenpatrone nach Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass am Patronenboden zweite Beugungsgitter (505') zum Auskoppeln von Licht vorgesehen sind
  10. Tintenpatrone nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Beugungsgitter (505, 505') als Oberflächenstruktur und vorzugsweise als Sägezahngitter ausgebildet ist.
  11. Tintenpatrone nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tintenpatrone eine Zweikammerpatrone (1) ist, mit Tintenkammer (3) und Speicherkammer (5) umfasst und die Mittel zur Strahlumlenkung in der Tintenkammer (3) vorgesehen sind.
  12. Tintenpatrone nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Tintenkammer (3)einen Gravitationsboden (19) umfasst.
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