WO2007110042A2 - Tintenschreibgerät und verfahren zur steuerung des tintenflusses an der schreibfederspitze - Google Patents

Tintenschreibgerät und verfahren zur steuerung des tintenflusses an der schreibfederspitze Download PDF

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    • B43K5/18—Arrangements for feeding the ink to the nibs
    • B43K5/1818—Mechanical feeding means, e.g. valves; Pumps
    • B43K5/189—Pumps

Definitions

  • the invention relates to an ink pen, in particular a fountain pen and a method for controlling the flow of ink at the nib tip.
  • DE 32 20 750 an arrangement is described in which between the reservoir and the capillary secondary fluid container, an electronically controllable valve is arranged, which is opened or closed depending on the level in the secondary container.
  • the exiting writing fluid is metered by a pumping element which presses the writing fluid to the nozzle of the writing tip.
  • the pumping element is activated via a pressure transducer and a microcircuit, in that when the writing tip is placed on the paper, a piezo quartz tube gives the start and stop signal for the microcircuit, and the ascertained contact force determines the pumping frequency of the pumping element.
  • a liquid reservoir is a removable cartridge which is pierced when inserted on both sides with cannulas, wherein in the bottom of the cartridge, a partition made of semipermeable material is embedded, which is permeable to air and impermeable to the ink.
  • an electronically controlled valve between the two liquid containers is opened and closed depending on the pressure conditions in the secondary liquid container.
  • the primary reservoir is under an overpressure, so that upon opening of the valve writing fluid flows into the secondary fluid reservoir and fills this container again.
  • the secondary fluid reservoir must be under negative pressure, so that the writing fluid does not leak through the pen tip, the necessary forces in turn by the negative pressure of the chamber in which the secondary fluid reservoir is located or difficult to control forces of elasticity of the variable volume Liquid reservoir applied.
  • the pressure conditions are again subject to the conditions of the environment such as temperature and atmospheric pressure, which you just wanted to avoid.
  • DE 43 28 312 is dispensed with a secondary fluid container and directly regulated the pressure in the reservoir.
  • the control must remain active during the entire writing operation to compensate for the pressure change during ink extraction.
  • no standard commercial cartridges can be used.
  • the ink discharge from the primary liquid container is influenced to the secondary liquid container via an electronically controllable valve.
  • the secondary liquid container is, as is conventional in conventional, ie not electronically controlled writing instruments, at a branch between the reservoir and the discharge of the Writing fluid, for example, arranged on a nib.
  • the electronically controlled valve control signal provides a sensor that measures the level of the capillary secondary fluid reservoir. It is expected that this electronically controlled valve will operate much more precisely than the capillary closure of the primary fluid tank vent used in conventional writing instruments.
  • valve control for the discharge of writing fluid from the reservoir is that the pressure conditions in the writing system are different, depending on whether the valve is open or closed or the secondary fluid container is filled or emptied. Also can not be compensated by this arrangement, the different absorption behavior of the paper and a desired line intensity can be adjusted.
  • a flow meter which measures the actual flow of writing fluid to the writing tip and compares with a target value, which results from the placement force of the writing tip.
  • the difference between the two values provides a control signal for a micropump.
  • the valve between the storage tank and the secondary liquid tank is only opened when the capacity of the micropump exceeds a specified maximum value.
  • a small secondary liquid container for writing fluid is arranged for dynamic decoupling. This arrangement ensures both the independence of the ink flow from the opening state of the valve between the reservoir and the secondary liquid container and the adjustability of the line width depending on the paper quality.
  • the invention has for its object to provide a metering device for a liquid, in particular writing fluids, with compensation of air pressure and temperature changes by electronic control circuits whose individual writing behavior in terms of placement force and writing direction corresponds to a conventional, not electronically controlled fountain pen, beyond has the ability to adjust the line intensity and adjust the ink flow to the paper quality and is very energy efficient.
  • the object is achieved in that a first control circuit using different capillary forces of at least two control capillaries and a micropump optimal conditions for
  • a second control circuit consisting of a valve with electronic control worried the refilling of the control capillaries.
  • a third control loop with a second micropump, a flow meter, and a tandem capillary of stepped cross section becomes effective.
  • the invention represents a further improvement of the writing instrument, as already described in DE 102 12 278.
  • 1 is a schematic of the channel structure of a conventional fountain pen
  • Fig. 4 is a diagram of the channel structure of the invention
  • Fig. 6 is a schematic of the channel structure of the invention
  • Fig. 7 is a diagram of the channel structure of the invention
  • Fig. 8 is an illustration of the control system of the invention
  • Fig. 12 is an overall view of the ink writing device in longitudinal section
  • Fig. 13 is a coupling between the main channel and the ink conductor.
  • FIG. 1 shows first the scheme of a conventional fountain pen, as it has been known for at least 100 years.
  • the writing liquid from the capillary system of the secondary liquid container 6 is pulled against the capillary force acting in this container by the suction force of the paper, which is formed by the paper capillarity 11.
  • the process is initiated by overcoming a capillary interruption on the writing spring 62 when placed on the paper surface 12 and supported by the hydrostatic pressure in the main channel 8.
  • the nib 62 is known to be split and has a bevel for scratch-free writing individually for right or left handed.
  • the writing spring 62 is divided, the ink flow is spread and distributed to several paper capillaries 11. As a result, the line width increases and there is the characteristic of a fountain pen individual typeface.
  • the process of removing writing fluid 2 from the secondary ink container 6 continues until this container is largely emptied. Further writing creates a negative pressure in the main channel 8, since due to the surface tension of the writing fluid 2 and the menisci forming at channel constrictions 13 no air can be drawn through the secondary fluid container 6 into the main channel 8.
  • the resulting negative pressure continues through the main channel 8 in the reservoir 1 and causes an increase in the negative pressure of the air volume.
  • the vent valve 4 which is often designed as a short channel is closed by a liquid meniscus. If the negative pressure in the air volume 3 exceeds a certain level, the meniscus ruptures and an air bubble penetrates into the reservoir 1, which leads to a reduction of the negative pressure in the air volume 3. Thus, supported by the capillary forces, writing fluid 2 flows through the main channel 8 in the chambers of the secondary fluid container 6 until this process passes through the capillary restriction 7 is interrupted. The negative pressure in the entire system, in particular in the reservoir 1, is reduced until a liquid meniscus again forms on the venting valve 4 and prevents further air entry.
  • Fig. 2 illustrates the pressure profile of the air volume 3 in the reservoir 1.
  • the course of the negative pressure in the reservoir 1 with increasing emptying, as shown in Fig. 2 acts as a disturbance function with pressure fluctuations of the order of 500 Pascal within an otherwise carefully tuned capillary. Accordingly, the discharge of writing liquid 2 to the nib tip 61 varies, and the writing intensity changes as the ratio of the discharged amount of the writing liquid 2 in relation to the nip force F s of the nib tip 61.
  • the operation of the conventional writing system can be represented by an electrical analogy corresponding to FIG. 3.
  • the hydrostatic pressure P p in the reservoir 1 represents in the electrical analogy an electro-motive force (EMF), which is completely compensated when the vent valve 4 is closed by the negative pressure PL of the air volume.
  • EMF electro-motive force
  • These two voltages change depending on the degree of filling of the reservoir 1 and position of use of the writing instrument. Breaks the Meniscus in the vent valve 4 through, the hydrostatic pressure P p acts and flows a current IL in the capacitor C ⁇ .
  • the switch S v stands for the vent valve 4.
  • the capillary secondary liquid container 6 is shown as a capacitor CT, which receives charge and due to its charging voltage again charge can deliver as current flow over time. In series there is an EMF E z , which symbolizes the capillary force of the secondary liquid container 6.
  • Wing feathers are known, for example, which are characterized by a special oscillatory behavior of the side wings, a special inner grinding which makes it easy to skip the ink when the paper surface is touched, and certain material properties.
  • an electronically controlled writing implement should respect and support this personal character .
  • the basic idea of the invention assumes that the writing tip is characterized under all operating conditions caused by different environmental conditions, opening and closing of valves are, optimal operating conditions are secured by electronic means. For this purpose different operating conditions are considered:
  • the individual modulation of the ink flow l s can be influenced inter alia by the ratio of the resistances R s , RT and Rv. This results in two possibilities of the practical setting of a typeface.
  • the average value of the flow l s can be influenced.
  • the dynamics of the individual modulation of the ink flow Is can be changed.
  • a way is shown, as with the aid of a control capillary 14 and a compensation capillary 17 in combination with a micropump 30 of the pressure at point N during the operating conditions A and B oi ⁇ to the optimum value optimal writing P Ns can be regulated.
  • Such a control capillary 14 or compensation capillary 17 consists of a capillary, which at one end with a Kapillarfalle 16 or 19, at the other end with an air-permeable membrane 15 or 18 or with another Capillary trap is completed.
  • the air-permeable membrane 15 or 18 is impermeable to liquids and can be made, for example, from hydrophobic coated fabric.
  • the meniscus 21 is located in the control capillary 14 between the two possible end positions.
  • the capillary 14 has a capillary force Ez which, in interaction with the suction force of the paper Ep and the fixed resistors R F and Rj and the variable resistor Rs, produces an optimum typeface of a fountain pen.
  • the intensity of the typeface can be determined to a certain extent by changing the mean flow Is.
  • the capillary section 22 is emptied and the meniscus 21 moves in the direction of the capillary trap 16.
  • the micropump 30 starts in the pump control loop to regulate the negative pressure to the setpoint P Nso i ⁇ .
  • the micro-valve 32 is opened and writing fluid 2 flows after.
  • the negative pressure P N measured by the pressure gauge 31 briefly decreases below the setpoint value PN SO II.
  • the micropump 30 switches over the pumping direction and generates a pressure PD counter to the flow direction of the writing fluid 2, so that the actual value PN again corresponds to the desired value PN S OII ,
  • the ink flow IL which flows from the storage container 1 through the microvalve 32 through the main channel 8, is divided into a flow into the compensation capillary 17 and into the control capillary 15 and into a flow Is in the direction of the nib 9.
  • the self-adjusting back pressure P 0 of the micropump reaches a maximum when both the control capillary 14 and the compensation capillary 17 are filled and the suction effect of both capillaries is eliminated.
  • the full hydrostatic pressure P P of the writing fluid 2 in the reservoir 1 acts Stabilization of the back pressure PD to a stationary value causes the closing of the microvalve 32.
  • the writing system in turn returns to the operating state A, in which a pumping action of the micropump 30 is not required.
  • the corresponding equivalent circuit diagram is shown in FIG. 8.
  • FIG. 6 An alternative structure in which the micropump 30 and the control capillary 14 and the compensation capillary 17 are arranged sequentially in a tandem capillary 20, Fig. 6.
  • the meniscus 21 is located in the operating state A in the capillary 25 of the tandem capillary 20. If the Meniscus 21 pulled into the channel portion 24, the micro-valve 32 opens and writing fluid 2 flows after.
  • the micropump 30 in turn assumes the stabilization of the pressure PN, which is measured with the pressure gauge 31, to a desired value PN SO II.
  • the arrangement of the micropump 30 supports the filling of the tandem capillary 20.
  • FIG. 7 Another arrangement of the invention is shown in Fig. 7.
  • the individual control capillaries in the form of various capillary sections 24 to 27 arranged sequentially one behind the other.
  • the special feature is that in the operating state A two capillary sections 25 and 26 are available, which have a different cross section and thus a different capillary force.
  • different intensities of the flow Is of the writing fluid can be set, depending on in which channel section 25 or 26 the meniscus is located.
  • the opening of the microvalve 32 and the activation of the micropump 33 are triggered when the meniscus 21 leaves a channel section and is drawn into the next channel section.
  • Another micropump 34 may be used to achieve rapid switching of the intensity of the writing line from high intensity to low intensity. Both micropumps 30 and 34 are activated in order to quickly pump out the channel section 26 and excess writing fluid 2 is returned to the storage container 1 pump back. With the aid of a flow meter 33, it is possible to measure the mean flow Is and to respond to the measured value by switching to another channel section 25 or 26.
  • the representation of two channel sections 25 and 26 is to be regarded only as an example. In principle, more than two channel sections are conceivable in which the meniscus 21 is in the operating state. In general, an arrangement with two micropumps 30 and 34 is useful if, in addition, the leakage flow of the microvalve 32 should be compensated.
  • Fig. 9 shows a section.
  • the needle 49 contacts the reservoir 1, which is designed in the form of a cartridge.
  • the writing fluid 2 passes into the valve chamber 45 and from there into the nozzle channel 54.
  • the inlet opening 47 can be closed by a valve tappet 53.
  • the valve stem 53 itself is moved by a valve driver 42, e.g. designed as a magnetic or piezo drive.
  • the pumping chamber 59 connects, which in turn communicates with the pressure measuring chamber 56 via the connecting channel 38.
  • the pressure sensor 44 is fluidically coupled via the pressure equalization channel 55.
  • the writing fluid 2 then flows via the fluidic adapter 48 into the cannula 50, which is fluidically coupled to the writing insert 60.
  • the entire main channel 8 described in FIGS. 4, 6 and 7 consists in the described exemplary construction of the needle 49, the inlet opening 47, the valve chamber 45, the nozzle channel 54, the pumping chamber 59, the connecting channel 38, the pressure measuring chamber 56, the fluidic adapter 48 and the cannula 50.
  • the complete fluidic structure on the channel body 40 is covered by a cover membrane 39 made of LTCC (Low-Temperature Ceramics) ceramic, which is connected to the electronics carrier 41, which is also made of LTCC ceramic, by means of a sintering process.
  • the cover membrane 39 also serves as a carrier of the piezo plate 43.
  • Cover membrane 39 and piezo plate 43 together form a bimorph, that is, when the piezo plate is subjected to a voltage, the bimorph deforms and causes a pressure on the pumping chamber 59.
  • the volume displacement depends on the to the poles of Piezo plate 43 applied pulse shape and size.
  • the channel body 40 itself is made of glass, for example, which has been etched.
  • Fig. 11 is shown by a section of the writing module 70, as the hydrophobic membrane 57 between the circuit board 52, electronics carrier 41 and the channel body 40 is fixed.
  • Fig. 12 shows a cross section through the writing instrument with writing insert 60 in the front part of the housing base 73.
  • the writing insert 60 is modeled on a conventional fountain pen in its design and consists of the nib 62 with the nib 61, a pen nib 69 with integrated ink guide. 9 as an extension of the main channel 8 and is connected via the coupling 63 with the cannula 50 of the writing module 70.
  • In the upper housing part 72 are located as a reservoir 1, an ink cartridge and a battery compartment for receiving the battery 71.
  • the battery compartment is closed by a cover 74.
  • the storage container 1 designed as an ink cartridge is closed with a sealing plug 75 which is pierced with a needle 49 when it is inserted into the writing instrument.
  • the needle 49 is mounted in the writing module 70 as shown in Fig. 9, and includes all fluidic functional elements such as micropumps, reservoirs and valves. From the writing module 70, the writing fluid 2 passes via a cannula 50 and an elastic coupling 63 to the writing insert 60 of conventional design. One or more LEDs 65 indicate the operating state of the device. Laterally attached to the housing base 73 is a touch contact 66, which signals the controller that a writing process is imminent. This control element 66 can be combined with the opening of the cap 76, so that after prolonged leaving the writing instrument with remotely Cap 76 is first promoted by the micropump 30, a small amount of writing fluid 2 to the writing insert 60 to bridge any capillary breaks in the ink channel 62 and to allow an immediate cover letter.
  • This control element 66 can be combined with the opening of the cap 76, so that after prolonged leaving the writing instrument with remotely Cap 76 is first promoted by the micropump 30, a small amount of writing fluid 2 to the writing insert 60 to bridge any capillary breaks in the ink channel
  • the method for controlling the flow of ink at a nib 61 of an ink writing device is characterized by setting a constant operating pressure PN at the input of the writing insert 60 by a control loop with comparison of the actual pressure with a nominal operating pressure PNS O II, wherein the pressure difference means a bidirectional operating micropump 30 is regulated.
  • the setpoint of the operating pressure PN SO II for the writing insert 60 is dimensioned so that in a conventional writing insert 60 with conventional writing spring 62 results in a characteristic of a fountain pen line as a function of placement force and writing direction.
  • the capillary force in the control capillary 14, 17 for compensating the suction force of the paper and the hydrostatic pressure is dimensioned such that when the microvalve 32 is closed, the setpoint operating pressure for the writing insert 60 is established without a pumping action of the micropump 30 being required.
  • the micropump 30 is advantageous only when 32 pressure fluctuations in deviation from the setpoint of the operating pressure PN SO II occur when opening the microvalve or correct other deviations from the default settings of the ink writing device, such as leakage flow of the microvalve 32 or deviating from the norm of the absorbency paper.
  • a further embodiment of the method consists in that different capillary sections 24, 25, 26 of the control capillary 28 can be selected and thus different nominal operating pressures PN SO II can be set for the writing tip tip 61 for different writing intensities.
  • the flow resistance in the coupling 63 between the main channel 8 and the ink guide 9, as shown in Fig. 13, for example, by means of a hose clamp 67 is adjustable and thus due to the placement force modulation of the writing line is affected ,

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Abstract

Ein Tintenschreibgerät mit einem hülsenförmigen Stiftschaft, einem zur Aufnahme der Tinte dienenden Vorratsbehälter mit Belüftungsöffnung, einem Schreibeinsatz mit Schreibfeder, einem die Tinte zur Schreibfederspitze führenden Tintenleitsystem mit einem Zwischenspeicher, einer Mikropumpe, einem Ventil und einer Batterie oder Akku und einer elektronischen Regelung des Tintenflusses ist gekennzeichnet durch mindestens zwei wirksame Regelkreise zur Regulierung des Tintenflusses aus dem Vorratsbehälter (1) und aus dem Zwischenspeicher (6) bis an die Schreibfederspitze (10), wobei ein erster Regelkreis zum Nachfüllen des Zwischenspeichers (6) mit einem elektronisch steuerbaren Mikroventil (32) zwischen dem Vorratsbehälter (1) und dem Zwischenspeicher (6) und ein zweiter Regelkreis zur Einstellung des Betriebsdruckes am Schreibeinsatz (60) mittels Drucksensor (31) und mit mindestens einer Mikropumpe (34) im Hauptkanal (8) wirksam ist und dass der Zwischenspeicher (6) als Steuerkapillare für den zweiten Regelkreis ausgeführt ist und jeweils zwischen der Steuerkapillare (17) und Hauptkanal (8) Kapillarfallen (16) angeordnet sind. Das Verfahren beschreibt die Steuerung des Tintenflusses an der Schreibfederspitze.

Description

Tintenschreibgerät und Verfahren zur Steuerung des Tintenflusses an der Schreibfederspitze
[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Tintenschreibgerät, insbesondere einen Füllfederhalter und ein Verfahren zur Steuerung des Tintenflusses an der Schreibfederspitze.
[0002] Bekannt sind unterschiedlichste Bauarten von Füllfederhaltern, Tuscheschreibgeräten, Faserstiften zur bedarfsabhängigen Abgabe von Schreibflüssigkeiten. Ein gemeinsames Merkmal dieser Bauarten ist, dass die Schreibflüssigkeit beim eigentlichen Schreibvorgang aus einem kapillaren Sekundär-Flüssigkeitsbehälter entnommen wird, dessen Kapillarität einen definierten Unterdruck erzeugt, der das Saugverhalten des Papiers, Temperatur- und Luftdruckschwankungen sowie den hydrostatischen Druck kompensiert. Dieser Sekundärflüssigkeitsbehälter muss von Zeit zu Zeit nachgefüllt werden, was durch Öffnen eines Belüftungsventils am Vorratsbehälter geschieht. Schreibspitze und Vorratsbehälter sind durch einen Hauptkanal verbunden, wobei der Hauptkanal einen Abzweig besitzt, der mit dem Sekundärflüssigkeitsbehälter verbunden ist.
Diese Art der Kompensation des hydrostatischen Druckes sowie der Temperatur- und Luftdruckschwankungen hat seine Grenzen. Insbesondere bei plötzlicher Reduzierung des Luftdruckes bzw. bei plötzlicher Temperaturerhöhung besteht die Notwendigkeit, ein Austreiben der Schreibflüssigkeit aus dem Vorratsbehälter wegen der Expansion der eingeschlossenen Luft zu verhindern. Aber auch das Belüftungsventil, das bei konventionellen Schreibgeräten bei einem bestimmten Unterdruck öffnet oder in Abhängigkeit vom Füllstand im Sekundärflüssigkeitsbehälter öffnet oder schließt, arbeitet durch die Abhängigkeit von verschiedenen schwer zu kontrollierenden Parametern nicht präzise. Die Wirkung von verschiedenen konstruktiven Kompensationsmaßnahmen kann nur teilweise den unterschiedlichen Füllstand der Flüssigkeitsbehälter berücksichtigen. Auch die eigentliche Abgabe der Schreibflüssigkeit an das Papier hängt von nicht beeinflussbaren Parametern ab wie z.B. die Saugfähigkeit unterschiedlicher Papiersorten.
Es sind deshalb viele Versuche bekannt, durch den Einsatz elektronisch gesteuerter Funktionselemente die Arbeitsweise der Kompensation zu verbessern.
[0003] In der DE 32 20 750 wird eine Anordnung beschrieben, bei der zwischen dem Vorratsbehälter und dem kapillaren Sekundär-Flüssigkeitsbehälter ein elektronisch steuerbares Ventil angeordnet ist, das in Abhängigkeit vom Füllstand im Sekundärbehälter geöffnet oder geschlossen wird.
[0004] Bei einem Füllfederhalter 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, sowie die ermittelte Aufsetzkraft 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 bestimmt. Diese Vorrichtung hat jedoch den Nachteil, dass die Mikropumpe ständig pumpen und damit Energie verbrauchen müsste. Ferner werden der momentane Füllstand der Patrone und die Kompensation des hydrostatischen Druckes durch die Regelung nicht erfasst. Eine Kompensation des unterschiedlichen Saugverhaltens des Papiers ist nicht möglich. [0005] In der DE 43 28 312 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, in Abhängigkeit von den Druckverhältnissen im Sekundärflüssigkeitsbehälter geöffnet und geschlossen wird. Der Primärvorratsbehälter steht dabei unter einem Überdruck, so dass 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 wird auf einen Sekundärflüssigkeitsbehälter verzichtet und direkt der Druck im Vorratsbehälter geregelt. Damit muss die Regelung während des gesamten Schreibbetriebes aktiv bleiben, um die Druckänderung bei Tintenentnahme auszugleichen. Zudem können keine handelsüblichen Standardpatronen verwendet werden.
[0006] In der DE 33 21 301 wird ein energetisch verbessertes Tintenversorgungssystem beschrieben, bei der eine Schlauchpumpe die Schreibflüssigkeit vom Vorratsbehälter in einen Sekundär-Flüssigkeitsbehälter drückt, die gleichzeitig als Ventil fungiert.
[0007] Energetisch wesentlich günstiger ist eine Anordnung nach DE 100 54 599. Wie bei der DE 44 19 735 beschrieben, wird die Tintenabgabe vom Primär- Flüssigkeitsbehälter an den Sekundärflüssigkeitsbehälter über ein elektronisch steuerbares Ventil beeinflusst. Der Sekundär-Flüssigkeitsbehälter ist, wie bei konventionellen, d.h. elektronisch nicht gesteuerten Schreibgeräten üblich, an einem Abzweig zwischen dem Vorratsbehälter und der Abgabestelle der Schreibflüssigkeit z.B. an einer Schreibfeder angeordnet. Das Steuersignal für das elektronisch gesteuerte Ventil liefert ein Sensor, der den Füllstand des kapillaren Sekundär-Flüssigkeitsbehälters misst. Es ist zu erwarten, dass dieses elektronisch gesteuerte Ventil wesentlich präziser arbeitet, als der kapillare Verschluss der Belüftung des Primär-Flüssigkeitsbehälters, wie er bei konventionellen Schreibgeräten verwendet wird.
Nachteilig bei dieser Art der Ventilsteuerung für den Austritt von Schreibflüssigkeit aus dem Vorratsbehälter ist, dass die Druckverhältnisse im Schreibsystem unterschiedlich sind, je nachdem, ob das Ventil offen oder geschlossen ist bzw. der Sekundärflüssigkeitsbehälter gefüllt oder entleert wird. Auch kann durch diese Anordnung das unterschiedliche Saugverhalten des Papiers nicht kompensiert und eine gewünschte Strichintensität eingestellt werden.
[0008] In der DE 102 12 278.4 wird deshalb ein Flussmesser vorgeschlagen, der den tatsächlichen Fluss der Schreibflüssigkeit zur Schreibspitze misst und mit einem Sollwert vergleicht, der sich aus der Aufsetzkraft der Schreibspitze ergibt. Die Differenz beider Werte liefert ein Steuersignal für eine Mikropumpe. Das Ventil zwischen Vorratsbehälter und Sekundärflüssigkeitsbehälter wird erst dann geöffnet, wenn die Förderleistung der Mikropumpe einen festgelegten Maximalwert überschreitet. Zwischen Tintenvorratsbehälter und Mikropumpe ist zur dynamischen Entkopplung ein kleiner Sekundär-Flüssigkeitsbehälter für Schreibflüssigkeit angeordnet. Diese Anordnung gewährleistet sowohl die Unabhängigkeit des Tintenflusses von dem Öffnungszustand des Ventils zwischen dem Vorratsbehälter und dem Sekundär-Flüssigkeitsbehälter als auch die Einstellbarkeit der Strichstärke je nach Papierqualität. Das individuelle Schriftbild eines Füllfederhalters, das sich u.a. wegen der sich individuell variierenden Andruckkraft ergibt, bleibt erhalten. Energetisch ist diese Konzeption nicht optimal, da die Mikropumpe im Schreibbetrieb ständig und teilweise mit voller Leistung arbeiten muss. Unabhängig davon wird bei allen bisher dargestellten Lösungen wenig beachtet, dass gerade bei Füllfederhaltern der Gebrauchswert in der Ausbildung eines individuellen Schriftbildes einen sehr wesentlichen Faktor darstellt. Diese Individualität wird aber neben der Aufsetzkraft auch durch die Art der Federführung beeinflusst, also durch Richtung, Geschwindigkeit Beschleunigung und Neigungswinkel. Somit führt eine direkte Proportionalität zwischen Aufsetzkraft und Pumpleistung wie bei der DE 44 19 735 oder, zwar besser, zwischen Aufsetzkraft und Tintenfluss wie bei der DE 102 12 278.4 nicht zu einem optimalen Ergebnis. Hinzu kommt, dass die präzise Bestimmung der Aufsetzkraft und der Messung des tatsächlichen Flusses unter den dynamischen Bedingungen des Schreibens mit Frequenzen bis zu IkHz sehr aufwändig ist.
[0009] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dosiervorrichtung für eine Flüssigkeit, insbesondere Schreibflüssigkeiten, mit Kompensation von Luftdruck- und Temperaturänderungen durch elektronische Regelkreise zu schaffen, deren individuelles Schreibverhalten hinsichtlich Aufsetzkraft und Schreibrichtung einem konventionellen, nicht elektronisch gesteuerten Füllfederhalter entspricht, darüber hinaus über Möglichkeiten zur Einstellung der Strichintensität und der Anpassung des Tintenflusses an die jeweilige Papierqualität verfügt und zudem sehr energieeffizient arbeitet.
[0010] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein erster Regelkreis unter Nutzung von unterschiedlichen Kapillarkräften von mindestens zwei Steuerkapillaren und einer Mikropumpe optimale Bedingungen für die
Versorgung eines an sich konventionellen Schreibeinsatzes in allen
Betriebszuständen gewährleistet und dass ein zweiter Regelkreis bestehend aus einem Ventil mit elektronischer Ansteuerung das Nachfüllen der Steuerkapillaren besorgt. Wahlweise wird ein dritter Regelkreis mit einer zweiten Mikropumpe, einem Flussmesser und einer Tandemkapillare mit abgestuftem Querschnitt wirksam.
Die Erfindung stellt eine weiterführende Verbesserung des Schreibgerätes dar, wie es bereits in der DE 102 12 278 beschrieben wurde.
[0011] Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke wird in der nachfolgenden Beschreibung anhand eines Ausführungsbeispiels, das in den Zeichnungen dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schema der Kanalstruktur eines konventionellen Füllfederhalters,
Fig. 2 den Druckverlauf in einer Tintenpatrone,
Fig. 3 eine Darstellung des Regelsystems eines konventionellen Füllfederhalters,
Fig. 4 ein Schema der Kanalstruktur des erfindungsgemäßen
Schreibsystems mit Mikropumpe im Hauptkanal,
Fig. 5 ein Ablaufschema des Regelvorganges,
Fig. 6 ein Schema der Kanalstruktur des erfindungsgemäßen
Schreibsystems mit Mikropumpe in der Steuerkapillare,
Fig. 7 ein Schema der Kanalstruktur des erfindungsgemäßen
Schreibsystems mit zwei Mikropumpen und einer Tandemkapillare,
Fig. 8 eine Darstellung des Regelsystems des erfindungsgemäßen
Füllfederhalters,
Fig. 9 einen Querschnitt durch den Schreibmodul,
Fig. 10 ein Layout der Kanalstruktur des Schreibmoduls von der Vorderseite,
Fig. 11 einen Querschnitt zur Anordnung der hydrophoben Membran,
Fig. 12 eine Gesamtdarstellung des Tintenschreibgerätes im Längsschnitt, Fig. 13 eine Kupplung zwischen Hauptkanal und Tintenleiter.
[0012] Zum besseren Verständnis der Erfindung soll zunächst noch einmal auf die Funktionsweise eines herkömmlichen Schreibsystems eingegangen werden. Fig. 1 zeigt zunächst das Schema eines konventionellen Füllfederhalters, wie er seit mindestens 100 Jahren bekannt ist. Beim Aufsetzen der Schreibfeder 62 auf die Oberfläche des Papiers 12 wird die Schreibflüssigkeit aus dem Kapillarsystem des Sekundär-Flüssigkeitsbehälters 6 entgegen der in diesem Behälter wirkenden Kapillarkraft durch die Saugkraft des Papiers, die durch die Papierkapillarität 11 entsteht, herausgezogen. Der Vorgang wird durch Überwinden einer Kapillarunterbrechung an der Schreibfeder 62 beim Aufsetzen auf die Papieroberfläche 12 in Gang gesetzt und durch den hydrostatischen Druck im Hauptkanal 8 unterstützt. Die Schreibfeder 62 ist bekanntermaßen geteilt und besitzt einen Anschliff für kratzfreies Schreiben individuell für Rechts- oder Linkshänder. Wirkt eine Aufsetzkraft, teilt sich die Schreibfeder 62, der Tintenfluss wird gespreizt und auf mehrere Papierkapillaren 11 verteilt. Im Ergebnis erhöht sich die Linienbreite und es entsteht das für einen Füllfederhalter charakteristische individuelle Schriftbild. Der Vorgang der Entnahme von Schreibflüssigkeit 2 aus dem Sekundär-Tintenbehälter 6 setzt sich solange fort, bis dieser Behälter weitgehend entleert ist. Weiteres Schreiben erzeugt einen Unterdruck im Hauptkanal 8, da bedingt durch die Oberflächenspannung der Schreibflüssigkeit 2 und den sich an Kanalverengungen 13 ausbildenden Menisken keine Luft durch den Sekundär-Flüssigkeitsbehälter 6 hindurch in den Hauptkanal 8 hineingezogen werden kann. Der entstehende Unterdruck setzt sich durch den Hauptkanal 8 in den Vorratsbehälter 1 fort und bewirkt eine Erhöhung des Unterdrucks des Luftvolumens 3.
[0013] Das Belüftungsventil 4, das häufig als kurzer Kanal ausgeführt wird, ist durch einen Flüssigkeitsmeniskus verschlossen. Übersteigt der Unterdruck im Luftvolumen 3 ein bestimmtes Maß, reißt der Meniskus auf und eine Luftblase dringt in den Vorratsbehälter 1 ein, was zu einer Reduzierung des Unterdrucks im Luftvolumen 3 führt. Dadurch strömt, unterstützt durch die Kapillarkräfte, Schreibflüssigkeit 2 durch den Hauptkanal 8 in den Kammern des Sekundär- Flüssigkeitsbehälter 6 bis dieser Prozess durch die Kapillarbegrenzung 7 unterbrochen wird. Der Unterdruck im gesamten System, insbesondere auch im Vorratsbehälter 1 , reduziert sich, bis sich wieder ein Flüssigkeitsmeniskus am Belüftungsventil 4 ausbildet und den weiteren Lufteintritt verhindert. Fig. 2 verdeutlicht den Druckverlauf des Luftvolumens 3 im Vorratsbehälter 1. Nach einem kontinuierlichen Aufbau des Unterdruckes tritt eine sprungförmige Reduzierung des Unterdruckes beim Eintritt einer Luftblase durch das Belüftungsventil 4 ein. Mit wachsender Entleerung des Vorratsbehälters 1 werden die Zeitintervalle von Sprung zu Sprung länger. Dieses vollständig aus mechanischen und fluidischen Funktionselementen ohne elektronische Hilfsmittel aufgebaute Schreibsystem funktioniert millionenfach in der Praxis bewährt mit bestimmten Ausnahmen. So führen Verringerungen des Luftdruckes bzw. Temperaturerhöhungen zu einer Verringerung des Unterdruckes im Luftvolumen 3, was zu einem Austreiben von Schreibflüssigkeit 2 aus dem Vorratsbehälter 1 führt, ohne das eigentlich ein Bedarf des Schreibsystems besteht. Überschüssige Schreibflüssigkeit 2 kann zwar durch das Kapillarsystem im Sekundär- Flüssigkeitsbehälter 6 und im Schreibeinsatz 60 (siehe Fig. 12) mit Schreibfeder 9 in bestimmten Umfang aufgenommen werden, eine unerwünschte Abgabe von Schreibflüssigkeit 2, insbesondere nach dem Aufsetzen der Schreibfeder 9 auf die Papieroberfläche 12, kann aber nicht vollständig vermieden werden. Weiterhin wirkt der Verlauf des Unterdrucks im Vorratsbehälter 1 mit wachsender Entleerung, wie er in Fig. 2 dargestellt wird, als Störfunktion mit Druckschwankungen in der Größenordnung von 500 Pascal innerhalb eines ansonsten sorgfältig abgestimmten Kapillarsystems. Entsprechend schwankt die Abgabe von Schreibflüssigkeit 2 an die Schreibfederspitze 61 und ändert sich die Schreibintensität als Verhältnis der abgegebenen Menge von Schreibflüssigkeit 2 im Verhältnis zur Aufsetzkraft Fs der Schreibfederspitze 61.
[0014] Die Funktionsweise des herkömmlichen Schreibsystems kann anhand einer elektrischen Analogie entsprechend Fig. 3 dargestellt werden. Der hydrostatische Druck Pp im Vorratsbehälter 1 repräsentiert in der elektrischen Analogie eine elektro-motorischen Kraft (EMK), die bei geschlossenen Belüftungsventil 4 durch den Unterdruck PL des Luftvolumens vollständig kompensiert wird. Diese beiden Spannungen ändern sich je nach Füllungsgrad des Vorratsbehälters 1 und Gebrauchslage des Schreibgerätes. Bricht der Meniskus im Belüftungsventil 4 durch, wirkt der hydrostatische Druck Pp und fließt ein Strom IL in den Kondensator Cγ. Der Schalter Sv steht für das Belüftungsventil 4. Der kapillare Sekundär-Flüssigkeitsbehälter 6 wird als Kondensator CT dargestellt, der Ladung aufnimmt und bedingt durch seine Ladespannung auch wieder Ladung als Stromfluss über die Zeit abgeben kann. In Serienschaltung befindet sich eine EMK Ez, die die Kapillarkraft des Sekundär- Flüssigkeitsbehälters 6 symbolisiert.
[0015] Eine andere EMK mit der Spannung Ep stellt das Saugverhalten des Papiers dar. Auch diese Spannung ist veränderlich und von den jeweiligen
Papiereigenschaften abhängig. Der Schalter Su symbolisiert das Aufsetzen der
Schreibfeder 62 auf das Papier 12 und den damit eintretenden Fluss Is der
Schreibflüssigkeit 2. Im Fluss Is sind verschiedene Widerstände Rs, RT und Rv angeordnet, die für die Strömungswiderstände der einzelnen Funktionselemente und Verbindungskanäle stehen. Der Widerstand Rs repräsentiert einen variablen
Widerstand, dessen Größe von der wirkenden Aufsetzkraft Ps abhängig ist.
[0016] Das Schreibverhalten eines Schreibgerätes als Wechselwirkung zwischen individuell unterschiedlicher Aufsetzkraft und Schreibrichtung wird nun entscheidend durch die Gestaltung der Schreibspitze beeinflusst. Bekannt sind zum Beispiel Flügelfedern, die sich durch ein besonderes Schwingverhalten der Seitenflügel, einem speziellen Innenschliff, der ein leichtes Überspringen der Tinte beim Berühren der Papieroberfläche ermöglicht, sowie bestimmte Materialeigenschaften auszeichnen. Geht man davon aus, dass es sich bei der Gestaltung der Schreibspitze und deren Verhalten beim Schreiben um gewünschte Eigenschaften handelt, die zur Ausbildung eines persönlichen Charakters des Schriftbildes sich im Verlaufe der Entwicklung ausgeprägt haben, sollte ein elektronisch gesteuertes Schreibgerät diesen persönlichen Charakter respektieren und unterstützen.
[0017] Der Grundgedanke der Erfindung geht davon aus, dass der Schreibspitze unter allen Betriebsbedingungen, die durch unterschiedliche Umgebungsbedingungen, Öffnen und Schließen von Ventilen gekennzeichnet sind, optimale Betriebsbedingen mit elektronischen Mitteln gesichert werden. Zu diesem Zweck werden verschiedene Betriebszustände betrachtet:
A) Schreiben bei geschlossenem Belüftungsventil B) Schreiben bei offenem Belüftungsventil
C) Ruhezustand
Im Betriebszustand A werden optimale Verhältnisse bezogen auf den Schreibeinsatz 60, bestehend aus Schreibfeder 62 mit Schreibfederspitze 61 , Tintenleiter 9 und Halterung 69 dann erreicht, wenn eine konstante Gegenkraft Ez z.B. durch eine Kapillare mit konstantem Querschnitt auf die Schreibflüssigkeit wirkt, die im Sekundär-Flüssigkeitsbehälter gespeichert ist. Diese Bedingung ist bei einem konventionellen Füllfederhalter übrigens bereits weitgehend erfüllt. Diese Gegenkraft, repräsentiert durch die EMK Ez in Fig. 3 kann am Punkt N durch einen Spannungs- bzw. Druckmesser als Wert PN gemessen werden. Der für das Schriftbild optimale Betriebsdruck für den Schreibeinsatz am Punkt N soll mit PNSOII bezeichnet werden. Aus dem Schema ist ersichtlich, dass die individuelle Modulation des Tintenflusses ls unter anderem vom Verhältnis der Widerstände Rs, RT und Rv beeinflusst werden kann. Daraus ergeben sich zwei Möglichkeiten der der praktischen Einstellung eines Schriftbildes. Einmal kann durch Wahl des Durchmessers der Kapillaren im Sekundär-Flüssigkeitsbehälters der Durchschnittswert des Flusses ls beeinflusst werden. Zum anderen kann durch Dimensionierung des Widerstandes RT im Verhältnis zum Mittelwert des Widerstandes Rs die Dynamik der individuellen Modulation des Tintenflusses Is verändert werden.
[0018] In Fig. 4 ist eine Möglichkeit dargestellt, wie mit Hilfe von einer Steuerkapillare 14 und einer Kompensationskapillare 17 in Kombination mit einer Mikropumpe 30 des Druckes am Punkt N während der Betriebszustände A und B auf den für optimales Schreiben optimalen Wert PNsoiι geregelt werden kann.
Eine solche Steuerkapillare 14 oder Kompensationskapillare 17 besteht aus einer Kapillare, die an einem Ende mit einer Kapillarfalle 16 bzw. 19, am anderen Ende mit einer luftdurchlässigen Membran 15 bzw. 18 oder mit einer weiteren Kapillarfalle abgeschlossen ist. Die luftdurchlässige Membran 15 bzw. 18 ist für Flüssigkeiten undurchlässig und kann beispielsweise aus hydrophob beschichtetem Gewebe hergestellt werden.
[0019] Im Betriebszustand A befindet sich der Meniskus 21 in der Steuerkapillare 14 zwischen den beiden möglichen Endstellungen. Die Kapillare 14 hat eine Kapillarkraft Ez, die in Wechselwirkung mit der Saugkraft des Papiers Ep und den festen Widerständen RF und Rj sowie dem variablen Widerstand Rs ein optimales Schriftbild eines Füllfederhalters erzeugt. Durch Wahl des Querschnittes der Steuerkapillare 14 kann dabei in bestimmten Umfang die Intensität des Schriftbildes durch Änderung des mittleren Flusses Is bestimmt werden. Mit wachsender Dauer des Schreibvorganges entleert sich der Kapillarabschnitt 22 und der Meniskus 21 bewegt sich in Richtung der Kapillarfalle 16. Der nun einsetzende Regelvorgang soll anhand von Fig. 4 und Fig. 5 erläutert werden.
[0020] Berührt der Meniskus die Kapillarfalle 16, so wird weitere Schreibflüssigkeit 2 aus der dünneren Kompensationskapillare 17 entnommen. Der durch den Druckmesser 31 gemessene Unterdruck steigt entsprechend der größeren Kapillarkraft der Kompensationssteuerkapillare 17 kurzzeitig an, die Mikropumpe 30 springt im Pumpenregelkreis an, um den Unterdruck auf den Sollwert PNsoiι zu regeln. In der Folge wird im Betriebszustand B das Mikroventil 32 geöffnet und Schreibflüssigkeit 2 strömt nach. Damit verringert sich der vom Druckmesser 31 gemessene Unterdruck PN kurzzeitig unter den Sollwert PNSOII- Die Mikropumpe 30 schaltet die Pumprichtung um und erzeugt einen Druck PD entgegen der Flussrichtung der Schreibflüssigkeit 2, so dass der Istwert PN wieder dem Sollwert PNSOII entspricht. Der Tintenfluss IL, der aus dem Vorratsbehälter 1 durch das Mikroventil 32 durch den Hauptkanal 8 fließt, teilt sich in einen Fluss in die Kompensationskapillare 17 und in die Steuerkapillare 15 hinein sowie in einen Fluss Is in Richtung Federspitze 9 auf. Der sich einstellende Gegendruck P0 der Mikropumpe erreicht ein Maximum, wenn sowohl die Steuerkapillare 14 als auch die Kompensationskapillare 17 gefüllt sind und die Saugwirkung beider Kapillaren entfällt. Zu diesem Zeitpunkt wirkt der volle hydrostatische Druck PP der Schreibflüssigkeit 2 im Vorratsbehälter 1. Die Stabilisierung des Gegendruckes PD auf einen stationären Wert bewirkt das Schließen des Mikroventils 32. Das Schreibsystem kehrt wiederum in den Betriebszustand A zurück, in welchem eine Pumpwirkung der Mikropumpe 30 nicht erforderlich ist. Das entsprechende Ersatzschaltbild ist in Fig. 8 dargestellt.
[0021] Einen alternativen Aufbau, bei dem die Mikropumpe 30 sowie die Steuerkapillare 14 und die Kompensationskapillare 17 in einer Tandemkapillare 20 sequentiell angeordnet sind, zeigt Fig. 6. Der Meniskus 21 befindet sich im Betriebszustand A im Kapillarabschnitt 25 der Tandemkapillare 20. Wird der Meniskus 21 in den Kanalabschnitt 24 gezogen, öffnet sich das Mikroventil 32 und Schreibflüssigkeit 2 strömt nach. Die Mikropumpe 30 übernimmt wiederum die Stabilisierung des Druckes PN, der mit dem Druckmesser 31 gemessen wird, auf einen Sollwert PNSOII- Durch die Anordnung der Mikropumpe 30 wird die Füllung der Tandemkapillare 20 unterstützt. Die sich ändernden Druckverhältnisse, wenn der Meniskus 21 den Kanalabschnitt 27 der Tandemkapillare 20 erreicht, führen zum Schließen des Mikroventils 32 und Deaktivierung der Mikropumpe 30.
[0022] Eine weitere Anordnung der Erfindung ist in Fig. 7 dargestellt. Auch hier sind in einer Tandemkapillare 20 die einzelnen Steuerkapillaren in Form verschiedener Kapillarabschnitte 24 bis 27 sequentiell hintereinander angeordnet. Die Besonderheit besteht darin, dass im Betriebszustand A zwei Kapillarabschnitte 25 und 26 zur Verfügung stehen, die einen unterschiedlichen Querschnitt und damit eine unterschiedliche Kapillarkraft besitzen. Damit können ohne Zuhilfenahme einer Mikropumpe unterschiedliche Intensitäten des Flusses Is der Schreibflüssigkeit eingestellt werden, je nachdem, im welchen Kanalabschnitt 25 oder 26 sich der Meniskus befindet. Das Öffnen des Mikroventils 32 und die Aktivierung der Mikropumpe 33 werden ausgelöst, wenn der Meniskus 21 einen Kanalabschnitt verlässt und in den nächsten Kanalabschnitt hineingezogen wird. Eine weitere Mikropumpe 34 kann dazu benutzt werden, um eine schnelle Umschaltung der Intensität der Schreiblinie von hoher Intensität zu niedriger Intensität zu erreichen. Beide Mikropumpen 30 und 34 werden aktiviert, um den Kanalabschnitt 26 schnell auszupumpen und überschüssige Schreibflüssigkeit 2 wieder in den Vorratsbehälter 1 zurückzupumpen. Mit Hilfe eines Flussmessers 33 ist es möglich, den mittleren Fluss Is zu messen und auf den Messwert durch Umschalten auf einen anderen Kanalabschnitt 25 oder 26 zu reagieren. Die Darstellung von zwei Kanalabschnitten 25 und 26 ist dabei nur als Beispiel anzusehen. Prinzipiell sind auch mehr als zwei Kanalabschnitte denkbar, bei denen sich der Meniskus 21 im Betriebszustand befindet. Überhaupt ist eine Anordnung mit zwei Mikropumpen 30 und 34 dann sinnvoll, wenn zusätzlich auch der Leckfluss des Mikroventils 32 kompensiert werden soll.
[0023] Der Gesamtaufbau des Schreibmoduls ist in Fig. 9 bis 11 dargestellt. Fig. 9 zeigt einen Schnitt. Die Nadel 49 kontaktiert den Vorratsbehälter 1 , der in Form einer Patrone ausgeführt ist. Die Schreibflüssigkeit 2 gelangt in die Ventilkammer 45 und von dort aus in den Düsenkanal 54. Die Einlassöffnung 47 kann durch einen Ventilstößel 53 verschlossen werden. Der Ventilstößel 53 selbst wird von einem Ventilantrieb 42 bewegt, der z.B. als Magnet- oder Piezoantrieb ausgeführt ist. Nach dem Düsenkanal 54 schließt sich die Pumpkammer 59 an, die wiederum mit der Druckmesskammer 56 über den Verbindungskanal 38 in Verbindung steht. An die Druckmesskammer 56 ist über den Druckausgleichskanal 55 der Drucksensor 44 fluidisch gekoppelt. Die Schreibflüssigkeit 2 fließt dann über den Fluidikadapter 48 in die Kanüle 50, der mit dem Schreibeinsatz 60 fluidisch gekoppelt ist. Der gesamte in Fig. 4, 6 und 7 beschriebene Hauptkanal 8 besteht in dem beschriebenen beispielhaften Aufbau aus der Nadel 49, der Einlassöffnung 47, der Ventilkammer 45, dem Düsenkanal 54, der Pumpkammer 59, dem Verbindungskanal 38, der Druckmesskammer 56, dem Fluidikadapter 48 und der Kanüle 50.
Die komplette Fluidikstruktur auf dem Kanalkörper 40 wird durch eine Deckmembran 39 aus LTCC - Keramik (Low-Temperature Cofirung Ceramic) abgedeckt, die mit dem Elektronikträger 41 , der ebenfalls aus LTCC-Keramik besteht, mit Hilfe eines Sinterverfahrens verbunden ist. Die Deckmembran 39 dient gleichzeitig als Träger der Piezoplatte 43. Deckmembran 39 und Piezoplatte 43 bilden zusammen einen Bimorph, das heißt, wird die Piezoplatte mit einer Spannung beaufschlagt, verformt sich der Bimorph und bewirkt einen Druck auf die Pumpkammer 59. Die Volumenverdrängung hängt von der an die Pole der Piezoplatte 43 angelegten Impulsform und Größe ab. Der Kanalkörper 40 selbst wird beispielsweise aus Glas hergestellt, das ätztechnisch bearbeitet wurde.
[0024] In der Draufsicht auf den Kanalkörper entsprechend der Schnittlinie A-A von Fig. 9 ist in Fig. 10 die Position der Kompensationskapillare 17 und der Steuerkapillare 14 ersichtlich. Beide Kapillaren beginnen in der Ventilkammer 45, werden mit den Kapillarfallen 16 und 19 gegen Lufteintritt in die Ventilkammer 45 geschützt und enden in Endkammern 35 bzw. 36, die mit einer hydrophoben Membran 57 abgedeckt sind.
In Fig. 11 ist durch einen Schnitt des Schreibmoduls 70 dargestellt, wie die hydrophobe Membran 57 zwischen Leiterplatte 52, Elektronikträger 41 und dem Kanalkörper 40 befestigt wird.
[0025] Fig. 12 zeigt einen Querschnitt durch das Schreibgerät mit Schreibeinsatz 60 im Vorderteil des Gehäuseunterteils 73. Der Schreibeinsatz 60 ist in seiner Ausführung einem konventionellen Füllfederhalter nachgebildet und besteht aus der Schreibfeder 62 mit der Schreibfederspitze 61 , einer Schreibfederhalterung 69 mit integrierten Tintenleiter 9 als Verlängerung des Hauptkanals 8 und ist über die Kupplung 63 mit der Kanüle 50 des Schreibmoduls 70 verbunden. Im Gehäuseoberteil 72 befinden sich als Vorratsbehälter 1 eine Tintenpatrone sowie ein Batteriefach zur Aufnahme der Batterie 71. Das Batteriefach ist durch eine Abdeckung 74 verschlossen. Der als Tintenpatrone ausgeführte Vorratsbehälter 1 ist mit einem Verschlussstopfen 75 verschlossen, der beim Einsetzen in das Schreibgerät mit einer Nadel 49 durchstoßen wird. Die Nadel 49 ist im Schreibmodul 70 wie in Fig. 9 dargestellt, befestigt und enthält alle fluidischen Funktionselemente wie Mikropumpen, Speicher und Ventile. Aus dem Schreibmodul 70 gelangt die Schreibflüssigkeit 2 über eine Kanüle 50 und einer elastischen Kupplung 63 zum Schreibeinsatz 60 konventioneller Bauart. Eine oder mehrere LED's 65 signalisieren den Betriebszustand des Gerätes. Seitlich am Gehäuseunterteil 73 angebracht befindet sich ein Touch-Kontakt 66, der der Steuerung signalisiert, dass ein Schreibprozess bevorsteht. Dieses Bedienelement 66 kann mit der Öffnung der Abdeckkappe 76 kombiniert werden, so dass nach längerem Liegenlassen des Schreibgerätes mit entfernter Abdeckkappe 76 zunächst durch die Mikropumpe 30 eine geringe Menge von Schreibflüssigkeit 2 an den Schreibeinsatz 60 gefördert wird, um eventuelle Kapillarunterbrechungen im Tintenkanal 62 zu überbrücken und ein sofortiges Anschreiben zu ermöglichen.
[0026] Das Verfahren zur Steuerung des Tintenflusses an einer Schreibfederspitze 61 eines Tintenschreibgerätes ist gekennzeichnet durch Einstellung eines konstanten Betriebsdruckes PN am Eingang des Schreibeinsatzes 60 durch einen Regelkreis mit Vergleich des IST-Druckes mit einem SOLL-Betriebsdruck PNSOII, wobei die Druckdifferenz mittels einer bidirektionalen arbeitenden Mikropumpe 30 ausgeregelt wird. Der Sollwert des Betriebsdruckes PNSOII für den Schreibeinsatz 60 ist so bemessen, dass bei einem üblichen Schreibeinsatz 60 mit konventioneller Schreibfeder 62 ein für einen Füllfederhalter charakteristischer Linienzug in Abhängigkeit von Aufsetzkraft und Schreibrichtung ergibt. Die Kapillarkraft in der Steuerkapillare 14, 17 zur Kompensation der Saugkraft des Papiers und des hydrostatischen Druckes wird dabei so bemessen, dass sich bei geschlossenem Mikroventil 32 der SOLL- Betriebsdruck für den Schreibeinsatz 60 einstellt, ohne dass eine Pumpwirkung der Mikropumpe 30 erforderlich ist. Die Mikropumpe 30 wird vorteilhaft nur wirksam, wenn beim Öffnen des Mikroventils 32 Druckschwankungen in Abweichung vom Sollwert des Betriebsdruckes PNSOII auftreten oder bei Korrektur anderer Abweichungen von den Standardeinstellungen des Tintenschreibgerätes, wie zum Beispiel Leckfluss des Mikroventils 32 oder von der Norm abweichendes Saugverhalten des Papiers. Eine weitere Ausführung des Verfahrens besteht darin, dass verschiedene Kapillarabschnitte 24, 25, 26 der Steuerkapillare 28 auswählbar sind und damit unterschiedliche SOLL-Betriebsdrücke PNSOII für die Schreibfederspitze 61 für unterschiedliche Schreibintensitäten einstellbar sind. Bei einem weiteren Ausführungsmerkmal wird ausgenutzt, dass der Strömungswiderstand in der Kupplung 63 zwischen Hauptkanal 8 und dem Tintenleiter 9, wie in Fig. 13 dargestellt wird, zum Beispiel mittels einer Schlauchklemme 67 einstellbar ist und damit die durch die Aufsetzkraft bedingte Modulation der Schreiblinie beeinflusst wird.

Claims

Patentansprüche:
1. Tintenschreibgerät mit einem hülsenförmigen Stiftschaft, einem zur Aufnahme der Tinte dienenden Vorratsbehälter mit Belüftungsöffnung, einem Schreibeinsatz mit Schreibfeder, einem die Tinte zur
Schreibfederspitze führenden Tintenleitsystem mit einem Zwischenspeicher, einer Mikropumpe, einem Ventil und einer Batterie oder Akku und einer elektronischen Regelung des Tintenflusses, gekennzeichnet durch - mindestens zwei wirksame Regelkreise zur Regulierung des
Tintenflusses aus dem Vorratsbehälter (1) und aus dem Zwischenspeicher (6) bis an die Schreibfederspitze (10), wobei ein erster Regelkreis zum Nachfüllen des Zwischenspeichers (6) mit einem elektronisch steuerbaren Mikroventil (32) zwischen dem Vorratsbehälter (1) und dem Zwischenspeicher (6) und ein zweiter Regelkreis zur Einstellung des Betriebsdruckes am Schreibeinsatz (60) mittels Drucksensor (31) und mit mindestens einer Mikropumpe (34) im Hauptkanal (8) wirksam ist und dass der Zwischenspeicher (6) als Steuerkapillare für den zweiten Regelkreis ausgeführt ist und jeweils zwischen der Steuerkapillare (17) und Hauptkanal (8) Kapillarfallen (16) angeordnet sind.
2. Tintenschreibgerät nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei parallel angeordnete Steuerkapillaren (14, 17) angeordnet sind, die in den Hauptkanal (8) münden, unterschiedlichen Querschnitt aufweisen und je eine Kapillarfalle (16, 19) aufweisen.
3. Tintenschreibgerät nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerkapillaren (14, 17) als Tandemkapillare (20) hintereinander in Reihe liegen und in mehrere Längenabschnitte (24, 25, 26) stufenförmig abgesetzten Querschnitte aufweisen.
4. Tintenschreibgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Mikropumpe (34) in der Tandemkapillare (20) angeordnet ist.
5. Tintenschreibgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikropumpe (30, 34) eine bidirektional wirksame Mikropumpe ist.
6. Tintenschreibgerät nach Anspruch 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidikstruktur auf dem Kanalkörper (40) mit Hauptkanal (8), Ventil (32), Steuerkapillaren (14, 17) Kapillarfallen (16, 19), bidirektionaler Mikropumpe (30, 34) einseitig auf einem gemeinsamen Träger angeordnet ist, der mit einer Leiterplatte (52) aus LTCC-Keramik abgedeckt ist, wobei die Leiterplatte (52) gleichzeitig Träger der Piezoplatte (43) für die bidirektionale Mikropumpe (30) ist.
7. Tintenschreibgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidik-Bauelement in Sandwich-Bauweise ausgeführt ist und der Kanalkörper (40) durch einen Verbund von mindestens zwei Keramikschichten bestehend aus einer Deckmembran (39) und einer Leiterplatte (41) abgedeckt ist.
8. Tintenschreibgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (31) auf der Keramikschicht der Abdeckung (41) angeordnet ist.
9. Tintenschreibgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerkapillaren (14, 17) mäanderförmig ausgeführt sind.
10. Tintenschreibgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerkapillaren (14, 17) in Endkammern (35, 36) führen, der von einer gemeinsamen hydrophoben Membran (57) abgedeckt ist.
11. Tintenschreibgerät mit einem hülsenförmigen Stiftschaft, einem zur Aufnahme der Tinte dienenden Vorratsbehälter mit Belüftungsöffnung, einem Schreibeinsatz mit Schreibfeder, einem die Tinte zur Schreibfederspitze führenden Tintenleitsystem mit einem Zwischenspeicher, einer Mikropumpe, einem Ventil und einer Batterie oder Akku und einer elektronischen Regelung des Tintenflusses, gekennzeichnet durch - drei wirksame Regelkreise zur Regulierung des Tintenflusses aus dem Vorratsbehälter und aus dem Zwischenspeicher bis an die Schreibfederspitze, wobei ein erster Regelkreis zum Nachfüllen des Zwischenspeichers (6) mit einem elektronisch steuerbaren Mikroventil (32) zwischen Vorratsbehälter (1) und dem Zwischenspeicher (6) und ein zweiter Regelkreis zur Einstellung des Betriebsdruckes am Schreibeinsatz (60) mittels Drucksensor (44) und mindestens einer Mikropumpe (30) im Hauptkanal (8) wirksam ist, dass der Zwischenspeicher (6) als Steuerkapillare (17) für den zweiten Regelkreis ausgeführt ist und ein dritter Regelkreis mit einer zweiten Mikropumpe (34) einem Flussmesser (33) und einer Tandemkapillare (20) mit abgestuftem Querschnitt angeordnet ist und jeweils zwischen den Steuerkapillaren (17, 14) und Hauptkanal (8) Kapillarfallen (16, 19) angeordnet sind.
12. Verfahren zur Steuerung des Tintenflusses an einer Schreibfederspitze eines Tintenschreibgerätes wie in Anspruch 1 beschrieben, dadurch gekennzeichnet, dass am Eingang des Schreibeinsatzes (60) der IST- Druck gemessen und mit einem SOLL-Betriebsdruck verglichen wird und die sich daraus ergebende Differenz die Steuerung einer bidirektionalen Mikropumpe (30) bewirkt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarkraft in der Steuerkapillare (14, 17) so bemessen ist, dass sich bei geschlossenem Mikroventil (32) der SOLL-Betriebsdruck für den Schreibeinsatz (60) einstellt, ohne dass eine Pumpwirkung der Mikropumpe (30) erforderlich ist.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass verschiedene Kapillarabschnitte (24, 25, 26) der Steuerkapillare (28) auswählbar sind, damit unterschiedliche SOLL-Betriebsdrücke für die Schreibfederspitze (61) für unterschiedliche Schreibintensitäten einstellbar sind.
15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen einstellbaren und veränderbaren Strömungswiderstand des Hauptkanals (8) zwischen der Druckmesskammer (56) und der Schreibfeder (62) die durch die Aufsetzkraft bedingte Modulation der Schreiblinie beeinflusst wird.
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