专利名称：墨水匣的负压调节装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种负压调节装置，可应用于喷墨打印机的墨水匣的内部；特别是涉及一种利用伸缩性气袋与弹性元件的伸缩的平衡，控制外界空气进入墨水匣内的时机，使匣内的负压恒定维持于一可操作并又可防止墨水从喷墨打印头里渗出的负压范围内的墨水匣的负压调节装置。
目前已有两种被普遍采用的系统可使喷墨打印头(print head)能依照一系列的控制指令喷射墨滴；其一为热气泡系统(thermal bubblesystem)，其二为压电系统(piezoelectric system)。采用上述两种系统的喷墨打印头，都设有复数个微孔(orifice)，而每一微孔各有其相连的墨腔(ink chamber)。在操作中，墨水从储墨匣导入喷墨打印头的墨腔，然后从微孔中将墨滴喷向所喷印的目标表面。热气泡型态的喷墨打印头，利用一薄膜电阻(thin-film resistor)对墨腔里的墨水加热而使之瞬间汽化，并借由墨水汽化的膨胀力量迫使墨水从喷墨打印头的微孔里喷出。压电型态的喷墨打印头则具有压电元件(piezoelectricelement)可根据一是列的控制指令而动作，动作时压电元件在喷墨打印头里产生压力波(pressure wave)，可迫使墨腔里定量的墨水从喷墨打印头的微孔中喷出。
虽然上述两种系统都可算是性能可靠且操作效率良好的喷墨打印头设计，但却都缺乏一种可在其静止状态防止墨水从微孔中渗出(permeating)的防渗漏措施。墨水如果从微孔里渗漏，将会使喷出的墨滴落点变得不准确，进而影响打印的品质。为解决这一问题，必须在墨水匣内维持一轻微负压(slight underpressure)，使喷墨打印头在暂停或停止动作时，让墨腔里的墨水不会从微孔里渗出。
下文中，所谓的负压，是指墨水匣内的压力小于外界空气(ambientair)压力时的压力差值。墨水匣内必须维持足够程度的负压，才能避免墨水从喷墨打印头里的微孔渗漏。但是如果负压过大，将会抵消喷墨打印头内喷出墨滴的喷印动力，其可能的影响包括使喷出的墨滴尺寸无法维持稳定或渐渐变小，使喷印的质量变差，严重时甚至会使墨滴无法完全喷出。
为维持正常操作，负压值必须经常维持在一可操作的范围内(operating range)。也就是说，负压必须使之大于可防止墨水从喷墨打印头渗漏的压力值，同时，又必须小于可能妨碍喷印的压力值。为了同时满足上述条件，针对各种不同等级的产品要求，目前已有许同不同的技术。
例如，约翰·迪恩(John H.Dion)等人提出的“放宽喷墨水匣的可操作环境条件的方法与装置(Method And Apparatus For Extending TheEnvironmental Operating Range Of An Ink Jet Print Cartridge)”美国专利第4,992,802号，采用两个压力控制机构以维持墨水匣内的负压，其中第一压力控制机构用以控制补气或补墨的流量，第二压力控制机构用以控制储墨的容积，借助上述机构作用，可共同维持一墨水匣内的负压在一可正常范围内操作。
迪恩等人的发明，虽然能合理地控制墨水匣内的负压，但其构造却略嫌复杂，而且比较浪费墨水匣内储存墨水的空间。相比之下，结构比较简单的，有詹姆斯帕乐雪客(James E.Pollacek)等人所提出的“喷印笔的调节器(Regulator For Ink-jet Pens)”美国专利第5,040,002号。该专利直接在储墨水匣上开设通气孔，又在通气孔上设一金属阀座，利用磁力使阀门一直关闭，直到匣内的负压大到使外界的空气压力足以冲开阀门时才补进外面的空气，随后磁力又将使阀门紧密，继续保持气密以维持匣内的负压。借由上述机理，使墨水匣内的负压可被灵敏地维持在一既定的范围内操作。
此种利用磁力阀门来控制补气通道的墨水匣构造，其构造虽然远比迪恩等人的发明简单，但是万一此种产品在运送过程中不慎接近强力磁场，则金属阀座与阀门的磁力将会受到改变。如此一来，其负压的设定范围便无法准确地控制，故会连带地影响产品的打印及品质。
此外，还有一种以无弹性的气袋与薄金属弹簧片的负压调节装置，例如，美国专利第5,409,134号由布鲁斯 考吉尔(Bruce Cowger)等人所提出的“喷印笔的感压式调节器(Pressure-Sentative AccumulatorFor Ink-jet Pens)”，在墨水匣内负压增加时，让外界的空气进入该无弹性的气袋，气袋膨胀使薄金属弹簧片变形，并使墨水的液位上升减少匣内空气的容积，借以调节负压。在墨水匣内负压不足时，又借由薄金属弹簧片的力量迫使气袋缩小，因使墨水的液位下降而匣内空气的容积随之变大，使负压增加。
考吉尔所发明的负压调节装置，因为气袋的膨胀有其极限，当匣内墨水剩下不多时，其膨胀所改变的墨水液位将微乎其微，因此可能会有墨水无法完全利用的问题。此外，墨水匣的可操作负压范围，通常是使墨水匣的内、外压差介于2.5至10公分·水柱高(即，介于万分之24～万分之97个标准大气压力之间)为理想。由于压力的变化范围极其狭小，因此薄金属弹簧片的变形力量必须极度精密地掌握控制，其间牵涉到的技术问题包括薄金属弹簧片的材料的成分变化、热处理温度的掌握控制、薄金属弹簧片的长度、形状与厚度的相依条件变化等因素，相当不易维持品质稳定。因此，考吉尔等人又于美国专利第5,505,339号提出另一件“喷印笔的感压式调节器(Pressure-Sentative Accumulator For Ink-jetPens)”，其重点在于薄金属弹簧片的形状规划，足以佐证上述看法。
本发明的上述目的是这样实现的一种墨水匣的负压调节装置，设于一喷墨笔的墨水匣内，该喷墨笔包括喷墨打印头及墨水匣等两部分，其关键在于墨水匣至少设有第一通气孔及第二通气孔，并包括一固定座，与该墨水匣的第一通气孔相通；一伸缩性气袋，与该墨水匣的第二通气孔相通，可于墨水匣内增加负压时膨胀，并带动一连接元件；一弹簧，设于该连接元件的下方，提供与该伸缩性气袋膨胀方向相反的推迫力量；以及一顶针，与该连接元件相连，并以可往复活动的方式装设于该固定座的内部，其上端表面用于封堵该墨水匣的第一通气孔。
本发明的上述目的也可以是这样实现的一种墨水匣的负压调节装置，设于一喷墨笔的墨水匣内，该喷墨笔包括喷墨打印头及墨水匣等两部分，其关键在于墨水匣至少设有第一通气孔及第二通气孔，并包括一固定座，与该墨水匣的第一通气孔相通；一气袋，与该固定座相通，外界空气可经由该第一通气孔相通流经该固定座而进入该气袋，使气袋随之膨胀，升高该墨水匣内的墨水液位，并借以减小该墨水匣内的空气容积，借以减少其负压；一伸缩性气袋，与该墨水匣的第二通气孔相通，可于墨水匣内增加负压时膨胀，并带动一连接元件；一弹簧，设于该连接元件的下方，提供与该伸缩性气袋膨胀方向相反的推迫力量；以及一顶针，与该连接元件相连，并以可往复活动的方式装设于该固定座的内部，其上端表面可封堵该墨水匣的第一通气孔。
由此可见，本发明所提供的墨水匣的负压调节装置，可在墨水匣上设置两个通气孔与外界的大气相通，并使其中的第二通气孔通往一具有伸缩性的气袋，而使第一通气孔通往墨水匣内部，并在此通气孔上设一阀门，利用一弹簧或弹性材料推迫而使阀门倾向于密闭状态。根据本发明，该阀门可由一顶针、一连接元件及一弹簧组装于一固定座内所构成。从波义尔与查理定律(Boyle’s and Charles’laws)可知当气体的质量不变，在不考虑温度变化的情况下，气体若容积变大，则压力将随之减小。在操作中，喷墨打印头持续打印消耗墨水时，匣内空气因质量不变而容积逐渐变大，因此压力便逐渐下降而在墨水匣内产生负压，使伸缩性气袋随之向下膨胀。当伸缩性气袋向下膨胀的力量胜过阀门的弹簧或弹性材料时，借助连接元件带动顶针，让微量的空气流入墨水匣内，使负压又回复到可操作的适当范围。一旦匣内的负压减小，伸缩性气袋便又随之缩小，借由弹簧或弹性材料的力量重新推紧顶针，使匣内的负压恒定维持于一可操作并又可防止墨水从喷墨打印头里渗出的负压范围内。
如
图1所示，应用本发明的喷印笔可包括一墨水匣10及一喷墨打印头20组合而成。喷墨打印头20具有若干个微孔21，利用软性电极板22接收控制信号，根据所输入的一系列的信号，可使不同的微孔21依据指令喷出墨滴于喷印的目标物上。
该喷墨打印头20可采用热气泡系统(thermal bubble system)或压电系统(piezoelectric system)的其中任何一种。无论采用上述哪一种系统的喷墨打印头20，其内部每一微孔21都分别各有与之相连的墨腔(ink chamber)。在喷墨的操作中，墨水30从墨水匣10导入喷墨打印头20的墨腔(已知构造，未图示)，然后从微孔21中将墨滴喷向所喷印的目标表面。若是采用热气泡型态的喷墨打印头，则喷墨打印头20里面会有一薄膜电阻(thin-film resistor)(已知元件，未图示)对墨腔里的墨水30加热而使之瞬间汽化，并借由墨水汽化的膨胀力量迫使墨水30从喷墨打印头20的微孔里喷出。若选择采用压电型态的喷墨打印头，则喷墨打印头20应设有压电元件(piezoelectric element)，使之根据软性电极板22所接收的控制信号动作，动作时使压电元件在喷墨打印头里产生压力波(pressure wave)，而迫使墨腔里定量的墨水30随之从喷墨打印头20的微孔21中喷出。
第一实施例如图2所示，根据本发明的一具体实施例，在墨水匣10上设有两个通气孔，分别为第一通气孔12及第二通气孔16。与第一通气孔12相通的，有固定座11，固定座11里面装设有一顶针13、一连接元件14。该顶针13上端具有圆锥面或蛋头状表面1301，对准并封堵该第一通气孔12，顶针的下方与连接元件14相接，而连接元件14下方则设一轴杆1401穿套一螺旋弹簧1402，弹簧的下端与固定座11的一面抵接，另一端推追连接元件14，借由连接元件14将弹簧的力量传递到顶针13，使顶针13倾向于完全封堵第一通气孔12的位置。
前述的第二通气孔16与伸缩性气袋15相通，当外界的大气压力大于墨水匣10内部的压力时，大气压力会使伸缩性气袋15朝墨水匣10内部膨胀。伸缩性气袋15设于连接元件14的上方，因此膨胀的力量会抵消下方螺旋弹簧1402推迫顶针13的力量。
如图3所示，在喷墨的操作过程中，墨水30因消耗而不断降低其墨水液位31，使墨水匣10内上方的空气容积随之不断扩大。此时由于第一通气孔12受顶针13封堵，因此匣内的空气质量固定不变，根据波义尔与查理定律(Boyle’s and Charles’laws)可知此时匣内的压力必定会逐渐下降而产生负压。伸缩性气袋15随墨水匣10内负压的增大而向下继续膨胀。当大气压力作用在顶针13上端的力量加上伸缩性气袋15向下膨胀的合力，胜过连接元件14下方的弹簧1402的推迫力量时，顶针13上方的圆锥面或蛋头状表面1301将因此后退而让出细微的缝隙，让微量的空气进入固定座11内经由其气孔1101流入墨水匣10内，使负压得以减缓而重新回复到可操作的适当范围。一旦匣内的负压减小，伸缩性气袋15便随之缩小，弹簧1402的力量又足以推紧顶针13，使匣内的负压恒定维持于一可操作并又可防止墨水从喷墨打印头20里渗出的负压范围内。
第二实施例较为理想的是，为进一步增加顶针13于接近负压临界值时的灵敏度，可再作如图4所示的修改变化。使顶针13与连接元件14分开，而利用顶针13的针杆1302套置一螺旋弹簧1303。螺旋弹簧1303下端与连接元件14抵接。如图5所示在喷墨的操作过程中，匣内墨水液位31将随喷印的进行逐渐降低，匣内的负压也随之逐渐增大。然而在一可操作的负压范围内，螺旋弹簧1402与连接元件14上方的螺旋弹簧1303共同施加于顶针13的力量恒定大于外界的大气压力作用于圆锥面或蛋头状表面1301的力量及伸缩性气袋15向下膨胀的合力，因此墨水匣10得继续保持气密。
如图6所示，当大气压力作用在顶针13上端的力量加上伸缩性气袋15向下膨胀的合力，胜过连接元件14下方的弹簧1402及连接元件14上方的螺旋弹簧1303的推迫合力时，顶针13上方的圆锥面或蛋头状表面1301将因此后退而让出细微的缝隙，让微量的空气进入固定座11内经由其气孔1101流入墨水匣10内，使负压得以减缓而重新回复到可操作的适当范围。一旦匣内的负压减小，伸缩性气袋15便随之缩小，弹簧1402的力量又重新足以推紧顶针13，使匣内的负压恒定维持于一可操作并又可防止墨水从喷墨打印头20里渗出的负压范围内。
第三实施例如图7所示，为了隔绝外界空气与墨水30接触，前述第一实施例的结构中，可再增加一气袋40。再参图8所示，当墨水匣10内的负压到达可操作范围的临界值(Critical value)时，微量的空气从第一通气孔12进入固定座11内，经由其气孔1101进入气袋40中使气袋膨胀，此膨胀结果，使墨水30升高墨水液位31而缩减其上方空气的容积空间。由波义尔与查理定律(Boyle’s and Charles’laws)可知虽然墨水匣10内的空气质量不变，但容积变小，因此压力必定会变大，借此使负压回到可操作的范围内。
第四实施例同理，如图9所示，另一可隔绝外界空气与墨水30接触的负压调节装置，可在第二实施例的结构中，另外增加一气袋40。当墨水匣10内的负压到达可操作范围的临界值(Critical Value)时，微量的空气从第一通气孔12进入固定座11内，经由其气孔1101进入气袋40中使气袋膨胀，此膨胀结果，使墨水30升高其墨水液位31而缩减其上方空气的容积空间。因为气袋40进气时，进入气袋40内的空气不会与墨水匣10内的空气相通，因此墨水匣10内的原有空气质量仍然维持不变，但其容积空间却受气袋40排挤而减小。由波义尔与查理定律(Boyle’s andCharles’laws)可知质量不变而容积减小，墨水匣10内的压力必定升高。借此作用，可使负压回到一可操作的范围内。
虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其目的并非用以限定本发明，任何熟悉本发明的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作适当的等效设计与润饰，例如将连接元件下方的弹簧替换为可提供相等弹性的薄板弹簧或弹簧片；又如省略顶针的针杆，直接让顶针上端的圆锥面或蛋头状表面与连接元件进行连接，对熟悉本发明的普通技术人员而言，这些应属不必一一举例详述的等效改变；本发明将不放弃主张这些等效变更的权利。换言之，本发明的保护范围应当以权利要求所确定的范围，及可由一般等同论解释所及的内容为准。
权利要求
1.一种墨水匣的负压调节装置，设于一喷墨笔的墨水匣内，该喷墨笔包括喷墨打印头及墨水匣等两部分，其特征在于墨水匣至少设有第一通气孔及第二通气孔，并包括一固定座，与该墨水匣的第一通气孔相通；一伸缩性气袋，与该墨水匣的第二通气孔相通，可于墨水匣内增加负压时膨胀，并带动一连接元件；一弹簧，设于该连接元件的下方，提供与该伸缩性气袋膨胀方向相反的推迫力量；以及一顶针，与该连接元件相连，并以可往复活动的方式装设于该固定座的内部，其上端表面用于封堵该墨水匣的第一通气孔。
2.如权利要求1所述的墨水匣的负压调节装置，其特征在于所述的顶针的上端表面为一圆锥面或蛋头状表面。
3.如权利要求1所述的墨水匣的负压调节装置，其特征在于所述的顶针的下端与该连接元件相接，借由该弹簧提供的推迫力量，使之偏向可利用其上端表面封堵该墨水匣的第一通气孔的位置。
4.如权利要求1所述的墨水匣的负压调节装置，其特征在于所述的弹簧为一螺旋弹簧，其一端与该连接元件相接，另一端与该固定座相接而呈压缩状态，利用该压缩状态产生该推迫力量。
5.如权利要求4所述的墨水匣的负压调节装置，其特征在于所述的连接元件的下方具有一轴杆，供套置该螺旋弹簧，使该弹簧的推迫力量的方向与该轴杆的轴心能保持一致。
6.如权利要求1所述的墨水匣的负压调节装置，其特征在于所述的弹簧是指一薄板弹簧或弹簧片。
7.如权利要求6所述的墨水匣的负压调节装置，其特征在于所述的弹簧有一端与该固定座相接。
8.如权利要求6所述的墨水匣的负压调节装置，其特征在于所述的弹簧有一端与该墨水匣相接。
9.如权利要求1所述的墨水匣的负压调节装置，其特征在于所述的固定座设有气孔，使外界空气流入该固定座之后，可再经由该气孔流入该墨水匣内。
10.如权利要求1所述的墨水匣的负压调节装置，其特征在于所述的顶针与连接元件之间利用一螺旋弹簧连接。
11.如权利要求10所述的墨水匣的负压调节装置，其特征在于所述的顶针下端具有一针杆，供该螺旋弹簧套接。
12.如权利要求1所述的墨水匣的负压调节装置，其特征在于所述的弹簧最后施加在顶针的推迫力量，与外界大气压力作用于该顶针表面的力量及该伸缩性气袋的膨胀力量相反，该三股力量在该墨水匣内的压力接近负10公分·水柱压力(cm·H2O)时，达到平衡状态。
13.如权利要求10所述的墨水匣的负压调节装置，其特征在于所述的弹簧最后施加在顶针的推迫力量，与外界大气压力作用于该顶针表面的力量及该伸缩性气袋的膨胀力量相反，该三股力量在该墨水匣内的压力接近负10公分·水柱压力(cm·H2O)时，达到平衡状态。
14.一种墨水匣的负压调节装置，设于一喷墨笔的墨水匣内，该喷墨笔包括喷墨打印头及墨水匣等两部分，其特征在于墨水匣至少设有第一通气孔及第二通气孔，并包括一固定座，与该墨水匣的第一通气孔相通；一气袋，与该固定座相通，外界空气可经由该第一通气孔相通流经该固定座而进入该气袋，使气袋随之膨胀，升高该墨水匣内的墨水液位，并借以减小该墨水匣内的空气容积，借以减少其负压；一伸缩性气袋，与该墨水匣的第二通气孔相通，可于墨水匣内增加负压时膨胀，并带动一连接元件；一弹簧，设于该连接元件的下方，提供与该伸缩性气袋膨胀方向相反的推迫力量；以及一顶针，与该连接元件相连，并以可往复活动的方式装设于该固定座的内部，其上端表面可封堵该墨水匣的第一通气孔。
15.如权利要求14所述的墨水匣的负压调节装置，其特征在于所述的顶针的上端表面为一圆锥面或蛋头状表面。
16.如权利要求14所述的墨水匣的负压调节装置，其特征在于所述的顶针的下端与该连接元件相接，借由该弹簧提供的推迫力量，使之偏向可利用其上端表面封堵该墨水匣的第一通气孔的位置。
17.如权利要求14所述的墨水匣的负压调节装置，其特征在于所述的弹簧为一螺旋弹簧，其一端与该该连接元件相接，另一端与该固定座相接而呈压缩状态，利用该压缩状态产生该推迫力量。
18.如权利要求17所述的墨水匣的负压调节装置，其特征在于所述的连接元件的下方具有一轴杆，供套置该螺旋弹簧，使该弹簧的推迫力量的方向与该轴杆的轴心能保持一致。
19.如权利要求14所述的墨水匣的负压调节装置，其特征在于所述的弹簧是指一薄板弹簧或弹簧片。
20.如权利要求19所述的墨水匣的负压调节装置，其特征在于所述的弹簧有一端与该固定座相接。
21.如权利要求19所述的墨水匣的负压调节装置，其特征在于所述的弹簧有一端与该墨水匣相接。
22.如权利要求14所述的墨水匣的负压调节装置，其特征在于所述的固定座设有气孔，使外界空气流入该固定座之后，再经由该气孔流入该墨水匣内。
23.如权利要求14所述的墨水匣的负压调节装置，其特征在于所述的顶针与连接元件之间利用一螺旋弹簧连接。
24.如权利要求23所述的墨水匣的负压调节装置，其特征在于所述的顶针下端具有一针杆，供该螺旋弹簧套接。
25.如权利要求14所述的墨水匣的负压调节装置，其特征在于所述的弹簧最后施加在顶针的推迫力量，与外界大气压力作用于该顶针表面的力量及该伸缩性气袋的膨胀力量相反，该三股力量在该墨水匣内的压力接近负10公分·水柱压力(cm·H2O)时，达到平衡状态。
26.如权利要求23所述的墨水匣的负压调节装置，其特征在于所述的弹簧最后施加在顶针的推迫力量，与外界大气压力作用于该顶针表面的力量及该伸缩性气袋的膨胀力量相反，该三股力量在该墨水匣内的压力接近负10公分·水柱压力(cm·H2O)时，达到平衡状态。
全文摘要
一种墨水匣的负压调节装置，在墨水匣上设置两个通气孔与外界大气相通，其中一通气孔通往一具有伸缩性的气袋，另一通气孔通往墨水匣的内部，并在此通气孔上设一阀门，利用一弹簧或弹性材料推迫而使阀门倾向于密闭状态。该阀门可由一顶针、一连接元件及一弹簧组装于一固定座内所构成。在操作中，喷墨打印头持续打印消耗墨水时，匣内空气质量不变而容积变大，因此压力逐渐下降产生匣内负压，使伸缩性气袋随之向下膨胀。当伸缩性气袋向下膨胀的力量胜过阀门的弹簧或弹性材料时，连接元件带动顶针，让微量的空气流入墨水匣内，使负压又回复到可操作的适当范围。
文档编号B41J2/175GK1401489SQ01130
公开日2003年3月12日 申请日期2001年8月16日 优先权日2001年8月16日
发明者周景瑜, 林建铭 申请人:飞赫科技股份有限公司