DE3880598T2

DE3880598T2 - Device for acoustic microflow in an inkjet device.

Info

Publication number: DE3880598T2
Application number: DE19883880598
Authority: DE
Inventors: Stuart D Howkins; John A Mccormick
Original assignee: Ricoh Printing Systems America Inc
Current assignee: Ricoh Printing Systems America Inc
Priority date: 1987-09-11
Filing date: 1988-09-06
Publication date: 1993-12-23
Anticipated expiration: 2008-09-07
Also published as: JPH01157861A; DE3880598D1; JP2848613B2; EP0307160A3; EP0307160A2; HK94693A; EP0307160B1

Description

Background of the invention

Die Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf Tintenstrahlvorrichtungen und speziell auf Tintenstrahlvorrichtungen und Verfahren zum Betrieb einer Tintenstrahlvorrichtung, um Probleme zu beseitigen oder zumindest erheblich zu mildern, die bei solchen Vorrichtungen bei ihrer Inbetriebnahme oder bei Verwendung mit pigmentierten Tinten auftreten.The invention relates generally to ink jet devices and more particularly to ink jet devices and methods of operating an ink jet device to eliminate or at least significantly mitigate problems encountered by such devices during their commissioning or when used with pigmented inks.

Die Probleme, die bei der Tintenstrahl-Inbetriebnahme auftreten, sind zahlreich und bekannt. Die bedeutsamsten dieser Probleme sind Aussetzer oder Nichtauslösung der ersten Tintentröpfchen sowie niedrigere Tintentröpfchen-Anfangsgeschwindigkeiten. Im allgemeinen wird angenommen, daß diese Probleme ein Ergebnis einer lokalen Änderung der Tinteneigenschaften sind, die aus Phänomenen, wie Wasseraufnahme aus der Luft, chemischen Veränderungen oder Verdunstung der Tinte in der Tintenstrahldüse während einer Ruhezeit zwischen Auslösevorgängen resultieren. Bisher wurde die Lösung solcher Probleme mechanisch oder elektrisch versucht. Das heißt, zusätzliche Impulse oder Signale wurden angewandt, um den ersten Tintentropfen abzugeben, um Aussetzer zu verhindern und um den Tintentropfen auf eine normale Betriebsgeschwindigkeit zu beschleunigen. Diese Lösungsversuche waren jedoch praktisch immer mit komplizierten Wellenformvorgängen verbunden.The problems encountered during inkjet start-up are numerous and well-known. The most significant of these problems are the failure or non-firing of the first ink droplets and lower initial ink droplet velocities. It is generally believed that these problems are a result of a local change in the ink properties resulting from phenomena such as water absorption from the air, chemical changes or evaporation of the ink in the inkjet nozzle during a rest period between firings. To date, attempts have been made to solve such problems mechanically or electrically. That is, additional pulses or signals have been applied to eject the first ink droplet, to prevent failures and to accelerate the ink droplet to a normal operating speed. However, these attempts have almost always involved complicated waveform processes.

Andere Wege zur Milderung dieser Probleme, wie sie etwa in der US-PS 4 400 215 und der US-PS 4 537 631 angegeben sind, versuchen statt dessen, diese Probleme auf chemischem Weg anzugehen (d. h. Herstellen neuer Tinten, um mit der Inbetriebnahme einhergehende Probleme zu vermeiden). Es ist trotzdem ohne weiteres ersichtlich, daß solche individualisierten Versuche der Herstellung von Tinten, die jeweils mit bestimmten Tintenstrahlvorrichtungen kompatibel sind, letztendlich zu unnötiger und sich wiederholender Forschung und Entwicklung für die Anwendung nach Kundenwünschen führen würde, um die mit der Inbetriebnahme von Tintenstrahlvorrichtungen zusammenhängenden Probleme zu beseitigen oder zu verringern.Other approaches to mitigating these problems, such as those set out in US Patent Nos. 4,400,215 and 4,537,631, instead attempt to address these problems chemically (ie, making new inks to avoid problems associated with start-up). Nevertheless, it is readily apparent that such individualized attempts to make inks that are compatible with compatible with specific inkjet devices would ultimately result in unnecessary and repetitive research and development for customized applications in order to eliminate or reduce the problems associated with the commissioning of inkjet devices.

Ein weiteres bei Tintenstrahlvorrichtungen häufig auf tretendes Problem ist ihre Verwendung mit pigmentierten Tinten. Dabei haben die in der Tinte von solchen Tintenstrahlvorrichtungen enthaltenen Pigmente eine Neigung, sich während Ruhezeiten abzusetzen oder Agglomerate zu bilden. Ein in der Vergangenheit unternommener Versuch, ein solches Absetzen zu beseitigen, war die Einführung von Farbstoffen anstelle von Pigmenten in die Tinte. Es ist jedoch wohlbekannt, daß Pigmente eine viel intensivere Färbung als ihre Farbstoff-Gegenstücke bei typischen Tinten, die in einer Tintenstrahlvorrichtung verwendet werden, liefern. Es wäre daher vorteilhaft, eine Tintenstrahlvorrichtung, die pigmentierte Tinten verwendet, und ein Verfahren zum Betrieb der Tintenstrahlvorrichtung anzugeben, um mit der Inbetriebnahme einhergehende Probleme zu verringern oder mindestens erheblich zu mildern, und gleichzeitig die Verteilung der Pigmente in der Tinte durch Vorsehen von akustischem Mikrostreaming in der Tintenstrahlvorrichtung zu fördern.Another problem that is common with inkjet devices is their use with pigmented inks. The pigments contained in the ink of such inkjet devices have a tendency to settle or form agglomerates during periods of rest. One attempt made in the past to eliminate such settling has been to introduce dyes into the ink instead of pigments. However, it is well known that pigments provide much more intense coloration than their dye counterparts in typical inks used in an inkjet device. It would therefore be advantageous to provide an inkjet device using pigmented inks and a method of operating the inkjet device to reduce or at least significantly mitigate problems associated with start-up, while promoting the distribution of the pigments in the ink by providing acoustic microstreaming in the inkjet device.

Es ist eine große Zahl von industriellen Anwendungen von Schall- oder Ultraschallwellen bekannt, die Dispersionen von Teilchen in einer Flüssigkeit oder von Flüssigkeitströpfchen in einem Gas erzeugen. Außerdem ist die Verwendung solcher Wellen wohlbekannt, um den umgekehrten Effekt zu erreichen, um Agglomerationen von Teilchen in einer Flüssigkeit oder von Flüssigkeitströpfchen in einem Gas zu bewirken. Allein die Tatsache, daß diese genau diametral entgegengesetzten Wirkungen durch Anwendung von Ultraschallenergie erreicht werden können, zeigt, daß zumindest mehr als ein Mechanismus dabei beteiligt sein muß. Tatsächlich wurden mehrere Mechanismen identifiziert, die für die Bewegung von suspendierten Teilchen in einem Schallfeld verantwortlich sein könnten. Für eine Betrachtung, welche Rolle diese Mechanismen in einer Tintenstrahlvorrichtung spielen, ist es zweckmäßig, sie in drei Gruppen einzuteilen: (1) Kräfte, die direkt mit der schwingenden Bewegung des Schallfelds zusammenhängen; (2) Kavitations-Wirksamkeit; und (3) akustisches Mikrostreaming.A large number of industrial applications of sound or ultrasonic waves are known to produce dispersions of particles in a liquid or of liquid droplets in a gas. In addition, the use of such waves to achieve the opposite effect, to cause agglomerations of particles in a liquid or of liquid droplets in a gas, is well known. The very fact that these diametrically opposed effects can be achieved by the application of ultrasonic energy shows that at least more than one mechanism must be involved. In fact, several mechanisms have been proposed. identified that might be responsible for the motion of suspended particles in a sound field. To consider the role these mechanisms play in an inkjet device, it is convenient to divide them into three groups: (1) forces directly related to the oscillatory motion of the sound field; (2) cavitation efficiency; and (3) acoustic microstreaming.

Bei allen akustischen Wellen mit in der Praxis auftretenden Amplituden und Frequenzen ist die Teilchenverlagerungsamplitude extrem klein. Als Beispiel dafür kann gezeigt werden, daß die Teilchenverlagerungsamplitude a für eine ebene Welle in einer Flüssigkeit mit einer Dichte ρ und einer Schallgeschwindigkeit c mit einer Druckamplitude p und einer Frequenz f wie folgt ist:For all acoustic waves with amplitudes and frequencies that occur in practice, the particle displacement amplitude is extremely small. As an example, it can be shown that the particle displacement amplitude a for a plane wave in a liquid with a density ρ and a sound speed c with a pressure amplitude p and a frequency f is as follows:

a = p/2πρcfa = p/2πρcf

Bei einer beispielhaften Tintenstrahlvorrichtung, bei der p = 10&sup6; dyn/cm², ρ = 1 g/cm³, c = 1,5 · 10&sup5; cm/s und f = 50 kHz, würde die Teilchenverlagerungsamplitude a in der Größenordnung von etwa 2000 Å liegen. Festkörperteilchen in Suspension in der Flüssigkeit hätten daher eine Schwingungsbewegung von 2000 Å oder weniger. Im allgemeinen erfahren schwerere, dichtere Teilchen eine Schwingungsbewegung mit viel kleineren Amplituden.For an exemplary inkjet device where p = 106 dynes/cm2, ρ = 1 g/cm3, c = 1.5 x 105 cm/s, and f = 50 kHz, the particle displacement amplitude a would be on the order of about 2000 Å. Solid particles in suspension in the liquid would therefore have a vibrational motion of 2000 Å or less. In general, heavier, denser particles experience vibrational motion with much smaller amplitudes.

Mit diesen Bewegungen gehen schwache, zwischen den Teilchen wirkende Kräfte und eine Erhöhung der Wahrscheinlichkeit von Teilchenkollisionen einher, was zu einer Agglomeration führen könnte. Diese Art von Mechanismus ist besonders gut bei Gasen gezeigt worden und tritt, wie gezeigt, sehr häufig in Anwesenheit einer stehenden Welle auf, wobei die resultierenden schwachen Kräfte zu einer langsamen Wanderung der Teilchen in Richtung zu Schwingungsknoten oder Schwingungsbäuchen führen (in Abhängigkeit von der relativen Dichte der Teilchen). Es ist daher ohne weiteres ersichtlich, daß auch in einem so relativ einfachen Fall einer stehenden Welle die beteiligten Mechanismen, die zu der Einwirkung von schwachen Kräften auf in Suspension befindliche Teilchen führen können, recht kompliziert sein können, und zwar insbesondere dann, wenn Grenzflächen in Form von Flüssig/Fest- oder Flüssig/Luft-Grenzflächen eingeführt werden.These movements are accompanied by weak interparticle forces and an increase in the probability of particle collisions, which could lead to agglomeration. This type of mechanism has been particularly well demonstrated in gases and, as shown, occurs very frequently in the presence of a standing wave, with the resulting weak forces leading to a slow migration of the particles towards vibration nodes or antinodes. (depending on the relative density of the particles). It is therefore readily apparent that even in such a relatively simple case of a standing wave, the mechanisms involved which can lead to the action of weak forces on particles in suspension can be quite complicated, especially when interfaces in the form of liquid/solid or liquid/air interfaces are introduced.

Eine andere Art von Kräften, die weit stärker als die vorstehend erläuterten, der Schwingungsbewegung von Teilchen zugehörigen Kräfte sind und die noch mit einer Ultraschallwelle in einer Flüssigkeit einhergehen, sind die Kräfte, die aus einer Kavitationserscheinung resultieren. Die heftigsten Kräfte hängen mit der Dampfkavitation bzw. Dampfblasenbildung zusammen, die in einer Flüssigkeit auftritt, wenn Hohlräume oder Blasen in der Flüssigkeit während der negativen Halbwelle der Schalldruckwelle erzeugt werden. Auf diese Weise gebildete Hohlräume kollabieren heftig während der anschließenden positiven Halbwelle und führen zu der Erzeugung einer mikroskopischen Stoßwelle mit sehr hohen Drücken und Temperaturen. Diese Bedingungen, die typischerweise in einem Ultraschall-Reinigungsbad vorliegen, können leicht zu einem Aufbrechen von Agglomerationen mit anschließender Verteilung der Teilchen in einer Flüssigkeit führen. Unterhalb dieser Schwelle gibt es jedoch eine andere Kavitationserscheinung, die als stabile Kavitation bekannt ist.Another type of force, far stronger than those discussed above associated with the vibrational motion of particles, and still associated with an ultrasonic wave in a liquid, are the forces resulting from a cavitation phenomenon. The most violent forces are associated with vapor cavitation, which occurs in a liquid when voids or bubbles are created in the liquid during the negative half-wave of the sound pressure wave. Voids formed in this way collapse violently during the subsequent positive half-wave, resulting in the generation of a microscopic shock wave with very high pressures and temperatures. These conditions, which are typically present in an ultrasonic cleaning bath, can easily lead to agglomeration breakup and subsequent dispersion of the particles in a liquid. Below this threshold, however, there is another cavitation phenomenon known as stable cavitation.

Die stabile Kavitation ist zwar weniger heftig als die Dampfkavitation, sie kann aber auch zu relativ großen Kräften führen, die auf in Suspension befindliche Teilchen wirken können. Die stabile Kavitation hängt im allgemeinen mit Gasblasen zusammen, die in der Flüssigkeit bereits existieren oder die aus gelöstem Gas gebildet werden, das unter der Wirkung der Schallwelle aus der Lösung gelangt. Eine Gasblase in solchen Flüssigkeiten hat einen sehr hohen mechanischen Q-Faktor, und bei Resonanz kann sich daher die Bewegungsamplitude sehr rasch auf sehr hohe Niveaus aufbauen. Wenn dies geschieht, tritt eine Vielzahl von nichtlinearen Wirkungen im Bereich der Blasen auf, unter anderem Aufbrechen der Blasen und große Druckgradienten in der Flüssigkeit, die die Blasen unmittelbar umgibt. Eine Erscheinung, die als akustisches Mikrostreaming bekannt ist, tritt ebenfalls im Bereich einer solchen schwingenden Blase auf und kann für sich zu der Ultraschall-Verteilung und dem Aufbrechen von Agglomeraten in einer Flüssigkeit beitragen.Although stable cavitation is less violent than vapor cavitation, it can also lead to relatively large forces that can act on particles in suspension. Stable cavitation is generally associated with gas bubbles that already exist in the liquid or that are formed from dissolved gas that comes out of solution under the action of the sound wave. A gas bubble in such liquids has a very high mechanical Q-factor, and at resonance the amplitude of motion can therefore increase. build up very rapidly to very high levels. When this happens, a variety of nonlinear effects occur in the region of the bubbles, including bubble breakup and large pressure gradients in the fluid immediately surrounding the bubbles. A phenomenon known as acoustic microstreaming also occurs in the region of such an oscillating bubble and can in itself contribute to the ultrasound dispersion and breakup of agglomerates in a fluid.

Akustisches Mikrostreaming ist außerdem ein nichtlinearer Effekt, jedoch einer, der bei Amplituden weit unter dem Schwellenwert für die Dampfkavitation auftreten kann. Obwohl er im allgemeinen mit nichtlinearen Flüssigkeits/Luft- Schwingungen zusammenhängt, gibt es auch Situationen, in denen heftiges Mikrostreaming auftreten kann, wenn keine Blasen vorhanden sind. Akustisches Mikrostreaming ist eine stabile, nichtschwingende Strömung der Flüssigkeit in sehr kleinem Maßstab, die normalerweise die Form mikroskopischer Wirbel annimmt, die man sich in etwas vereinfachter Form als die Strömung vorstellen kann, die aus Strahlungsdruckgradienten in kleinem Maßstab resultiert. Solche Strahlungsdruckgradienten findet man um Bereiche herum, in denen ein scharfe Diskontinuität existiert, etwa an der Spitze eines schwingenden Stabs mit einer Strahlungsfläche, deren Dimension im Vergleich zu ihrer Schwingungswellenlänge sehr klein ist. Strahlungsdruckgradienten findet man außerdem um andere Arten von geometrischen Diskontinuitäten (z. B. Ecken oder Kanten) von Festkörperoberflächen herum, die mit der Flüssigkeit in Kontakt sind.Acoustic microstreaming is also a nonlinear effect, but one that can occur at amplitudes well below the threshold for vapor cavitation. Although it is generally associated with nonlinear fluid/air vibrations, there are also situations where violent microstreaming can occur in the absence of bubbles. Acoustic microstreaming is a stable, non-vibratory flow of the fluid at a very small scale, usually taking the form of microscopic vortices, which can be thought of in somewhat simplified terms as the flow resulting from small-scale radiation pressure gradients. Such radiation pressure gradients are found around regions where a sharp discontinuity exists, such as at the tip of a vibrating rod with a radiating surface whose dimension is very small compared to its vibration wavelength. Radiation pressure gradients are also found around other types of geometric discontinuities (e.g. corners or edges) of solid surfaces that are in contact with the liquid.

Im allgemeinen führt akustisches Mikrostreaming zu einer Rührwirkung in kleinem Maßstab in der Flüssigkeit, wobei die physikalischen und chemischen Wirkungen im stand der Technik gut dokumentiert sind. Beispielsweise wurde die Rührwirkung um die Spitze einer schwingenden Nadel herum sichtbar gemacht durch das Eintauchen der schwingenden Nadel in eine verdünnte Lösung aus fotografischem Entwickler unmittelbar über einem Stück von teilbelichtetem fotografischem Papier, wobei die auf einem solchen Papier entwickelte Abbildung die Mikrostreaming-Flußlinien deutlich zeigt. Die Wirkung von Mikrostreaming beim Rühren der Innenseite von lebenden Zellen wurde auch als derjenige Mechanismus diskutiert, der viele der biologischen Wirkungen von Ultraschallstrahlung kleiner Amplitude erklärt. Ungeachtet dieser Vorschläge kennen jedoch die Erfinder keine Tintenstrahlvorrichtung, die eine Einrichtung zum akustischen Mikrostreaming aufweist, um Probleme, die mit der Inbetriebnahme der Vorrichtung verbunden sind, zu beseitigen oder zumindest erheblich zu mildern oder um eine Verteilung von Pigmenten aufrechtzuerhalten, die in pigmentierten Tinten verwendet werden.In general, acoustic microstreaming induces a small-scale stirring action in the liquid, and the physical and chemical effects are well documented in the prior art. For example, the stirring action around the tip of a vibrating needle was visualized by immersing the vibrating needle in a dilute solution of photographic developer immediately above a piece of partially exposed photographic paper, the image developed on such paper clearly showing the microstreaming flow lines. The action of microstreaming in stirring the inside of living cells has also been discussed as the mechanism explaining many of the biological effects of small amplitude ultrasonic radiation. Despite these suggestions, however, the inventors are unaware of any ink jet device having a means for acoustic microstreaming to eliminate or at least significantly mitigate problems associated with starting up the device or to maintain a distribution of pigments used in pigmented inks.

Eine Einrichtung und ein Verfahren zum Betrieb einer Tintenstrahlvorrichtung, um Probleme bei der Inbetriebnahme zu verringern, ist in der US-PS 4 323 908 von Lee et al. angegeben. Die Vorrichtung von Lee et al. entfernt etwaige eingeschlossene Luft aus dem Tintenhohlraum und der Düsenöffnung des Druckkopfs eines sofort schreibbereiten Tintenstrahldruckers durch Anregung eines rohrförmigen piezoelektrischen Wandlers mit einer Serie von Impulsen für eine vorgewählte kurze Zeitdauer und mit einer Wiederholungsrate oder Impulsfrequenz, die im wesentlichen gleich einer Resonanzfrequenz des Tintenhohlraums ist. Außer während der Reinigung wird der Wandler asynchron im Sofort-Schreibbereit- Modus nach Maßgabe von diskreten binären Schreibsignalen betrieben.An apparatus and method for operating an ink jet device to reduce start-up problems is disclosed in Lee et al., U.S. Patent No. 4,323,908. The Lee et al. apparatus removes any trapped air from the ink cavity and nozzle orifice of the print head of an instant-write ink jet printer by exciting a tubular piezoelectric transducer with a series of pulses for a preselected short period of time and at a repetition rate or pulse frequency substantially equal to a resonant frequency of the ink cavity. Except during cleaning, the transducer is operated asynchronously in the instant-write mode in response to discrete binary write signals.

Die Vorrichtung von Lee et al. sagt zwar überhaupt nichts über ihre Anwendbarkeit zum akustischen Mischen einer pigmentierten Tinte, aber sie nutzt eine sinusförmige Anregung des Treiberwandlers während druckfreier Perioden zum Reinigen des Tintenhohlraums und der Düsenöffnungen von eingeschlossener Luft. Die Vorrichtung von Lee et al. hat jedoch einen extrem engen Betriebsbereich um die Frequenz der Vorrichtungsresonanz herum. Außerdem ist aus den Lehren von Lee et al. ersichtlich, daß ein Tintenstrahl aus den Düsenöffnungen während des Austreibens von Luft daraus ausgestoßen werden muß, und zwar wiederum, weil die Vorrichtung bei Resonanz betrieben werden muß. Infolgedessen verlangt der Einbau einer solchen Vorrichtung in einen Tintenstrahldrucker ein kompliziertes Druckkopf-Pflegesystem, um das Entfernen von überschüssiger Tinte sicherzustellen, die gemeinsam mit der Luft ausgetrieben wird.While Lee et al.'s device says nothing at all about its applicability to acoustic mixing of a pigmented ink, it uses sinusoidal excitation of the driver transducer during non-printing periods to clean the ink cavity and nozzle orifices of trapped air. However, Lee et al.'s device has an extremely narrow operating range around the frequency of the device resonance Furthermore, it is clear from the teachings of Lee et al. that a jet of ink must be ejected from the nozzle orifices while air is being expelled therefrom, again because the device must be operated at resonance. Consequently, incorporation of such a device into an inkjet printer requires a complicated printhead care system to ensure removal of excess ink which is expelled along with the air.

Eine weitere Vorrichtung, die bestimmt ist, das Ausscheiden von Tinten- und Lacksuspensionen im Betrieb von Schreibsystemen, insbesondere Tintenstrahl-Schreibsystemen, zu verhindern, ist in der DE-OS 3 508 389, veröffentlicht am 11. Sept. 1986, angegeben. Anders als die Vorrichtung der oben beschriebenen US-PS 4 323 908 ist die dort angegebene Vorrichtung für Impuls-Betrieb ausgebildet (d. h. immer dann, wenn der Druckkopf nicht in Betrieb ist, wie etwa während des Druckintervalls oder während des Wagenrücklaufs) und gibt während der Druckintervalle keine weiteren Tröpfchen ab, ist jedoch zum Vermischen des Fluids ausreichend.Another device designed to prevent the separation of ink and varnish suspensions during operation of writing systems, in particular inkjet writing systems, is specified in DE-OS 3 508 389, published on September 11, 1986. Unlike the device in US Pat. No. 4,323,908 described above, the device specified there is designed for pulse operation (i.e. whenever the print head is not in operation, such as during the printing interval or during carriage return) and does not release any further droplets during the printing intervals, but is sufficient for mixing the fluid.

Bei einer solchen Vorrichtung sind eine oder mehrere Kristalleinheiten an dem Tintenbehälter und/oder den Schreibrillen eines Aufzeichnungsmechanismus angebracht, wie es in der Siemens-Zeitschrift, Bd. 4, April 1977, S. 219-221, beschrieben ist. Solche Rillen sind konzentrisch von Wandlern umschlossen, die piezokeramische Röhrchen enthalten, deren Energie nach der DE-OS 3 508 389 während der Druckintervalle verringert ist, so daß keine weiteren Tröpfchen abgegeben werden, die aber zum Vermischen des Fluids ausreicht. Die Vorrichtung der oben beschriebenen DE-OS 3 508 389 vermeidet an sich die bei der Vorrichtung der US-PS 4 323 908 auftretenden Probleme insofern, als keine Druckkopf-Pflegevorrichtung für die aus den Düsenöffnungen ausgetriebene Tinte erforderlich ist. Eine solche Vorrichtung ist aber im Gebrauch auf Tinte beschränkt, die in den Düsenöffnungen nicht austrocknet. Ferner hat die Vorrichtung nach DE-OS 3 508 389 eine niedrige Betriebsfrequenz, und da die Schreibrillen im Vergleich mit der Wellenlänge der bei Resonanz betriebenen Wandler lang sind, kann sie zwar stehende Wellen ausbilden, ist jedoch nahezu unfähig, Mikrostreaming zu erzeugen (d. h. die größeren lokalen Intensitätsgradienten zu erzeugen, die zum Mikrostreaming erforderlich sind).In such a device, one or more crystal units are attached to the ink container and/or the writing grooves of a recording mechanism, as described in the Siemens magazine, volume 4, April 1977, pages 219-221. Such grooves are concentrically surrounded by transducers which contain piezoceramic tubes, the energy of which is reduced during the printing intervals according to DE-OS 3 508 389, so that no further droplets are emitted, but which is sufficient to mix the fluid. The device of DE-OS 3 508 389 described above essentially avoids the problems occurring with the device of US Pat. No. 4 323 908 in that no print head care device is required for the ink expelled from the nozzle openings. Such a device is, however, limited in use to ink which is not present in the nozzle openings. dries out. Furthermore, the device according to DE-OS 3 508 389 has a low operating frequency and since the writing grooves are long compared to the wavelength of the transducers operated at resonance, it can form standing waves but is almost incapable of generating microstreaming (ie of generating the larger local intensity gradients required for microstreaming).

Summary of the invention

Es ist daher eine allgemeine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, um bei der Inbetriebnahme von Tintenstrahlvorrichtungen auftretende Probleme zu beseitigen oder zumindest erheblich zu verringern. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, bei der Inbetriebnahme auftretende Probleme durch das Vorsehen von akustischem Mikrostreaming bei sofort schreibbereiten Tintenstrahlvorrichtungen erheblich zu verringern.It is therefore a general object of the invention to provide a method and a device to eliminate or at least significantly reduce problems that occur during the commissioning of inkjet devices. In particular, it is an object of the invention to significantly reduce problems that occur during the commissioning by providing acoustic microstreaming in immediately ready-to-write inkjet devices.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht im Vorsehen einer sofort schreibbereiten Tintenstrahlvorrichtung und eines Verfahrens zum Betreiben derselben, wobei Agglomerationen von Teilchen, die in den in solchen Vorrichtungen verwendeten Tinten enthalten sind, durch akustisches Mikrostreaming aufgebrochen werden.Another object of the invention is to provide an instantly write-ready inkjet device and a method of operating the same, wherein agglomerations of particles contained in the inks used in such devices are broken up by acoustic microstreaming.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum akustischen Mikrostreaming in einer sofort schreibbereiten Tintenstrahlvorrichtung anzugeben, so daß in pigmentierten Tinten, die in einer solchen Vorrichtung verwendet werden, enthaltene Pigmente verteilt gehalten werden.Another object of the invention is to provide a method and apparatus for acoustic microstreaming in an instant-write inkjet device so that pigments contained in pigmented inks used in such a device are kept distributed.

Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, um Probleme bei der Inbetriebnahme im wesentlichen zu verringern und um Pigmente in sofort schreibbereiten Tintenstrahlvorrichtungen in Verteilung zu halten, so daß aus den Düsenöffnungen solcher Vorrichtungen keine Tinte ausgestoßen zu werden braucht, so daß dadurch die Notwendigkeit für eine komplizierte Druckkopf- Pflegeeinrichtung beseitigt wird.Furthermore, it is an object of the invention to provide a method and a device to substantially reduce problems during commissioning and to distribute pigments in immediately ready-to-write inkjet devices so that no ink needs to be ejected from the nozzle openings of such devices, thereby eliminating the need for a complicated printhead maintenance device.

Eine andere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum akustischen Mikrostreaming in einer sofort schreibbereiten Tintenstrahlvorrichtung, die sowohl zur Verwendung mit herkömmlicher Flüssigkeit als auch mit Aufschmelztinten oder Phasenänderungstinten ausgebildet ist.Another object of the invention is to provide a method and apparatus for acoustic microstreaming in an instant-write inkjet device adapted for use with both conventional liquid and melt-on-demand or phase-change inks.

Kurz gesagt, es werden die obigen und weitere Aufgaben der Erfindung mit einer Tintenstrahlvorrichtung gelöst, die folgendes aufweist: einen Abtastkopf, der mindestens eine Tintenstrahldüse mit einer volumenveränderlichen Kammer verwendet, die eine Tintentröpfchen-Ausstoßöffnung hat, und einen Wandler, der eine Längenmoden-Resonanzfrequenz hat und so ausgebildet ist, daß er sich entlang einer Dehnungsachse ausdehnt und zusammenzieht aufgrund eines elektrischen Felds, das im wesentlichen quer zu der Dehnungsachse steht, um bei Bedarf Tröpfchen aus der Tintentröpfchen-Ausstoßöffnung auszustoßen.Briefly, the above and other objects of the invention are achieved by an ink jet device comprising: a scanning head employing at least one ink jet nozzle with a variable volume chamber having an ink droplet ejection orifice, and a transducer having a length mode resonant frequency and configured to expand and contract along an extension axis in response to an electric field substantially transverse to the extension axis to eject droplets from the ink droplet ejection orifice on demand.

Gemäß einem wichtigen Aspekt der Erfindung wird in der Vorrichtung akustisches Mikrostreaming induziert durch Anregen der Wandler, die jeder volumenveränderlichen Kammer zugeordnet sind, durch eine Niederspannungsquelle mit einer vorbestimmten Wellenform, bevorzugt sinusförmig, die einen vorbestimmten Bereich von Frequenzen hat, die um die Längenmoden- Resonanzfrequenz herum zentriert sind. Die niedrigste derartige Spannung zum Anregen der Wandler, um akustisches Mikrostreaming zu erreichen, tritt zwar gemäß der Erfindung bei der Längenmoden-Resonanzfrequenz auf, aber akustisches Mikrostreaming kann ebenso bei höheren oder niedrigeren Frequenzen erreicht werden, indem der Pegel der Anregungsspannung erhöht wird.According to an important aspect of the invention, acoustic microstreaming is induced in the device by exciting the transducers associated with each variable volume chamber by a low voltage source with a predetermined waveform, preferably sinusoidal, having a predetermined range of frequencies centered around the length mode resonance frequency. Although the lowest such voltage for exciting the transducers to achieve acoustic microstreaming occurs at the length mode resonance frequency according to the invention, acoustic microstreaming can also be achieved at higher or lower frequencies by increasing the level of the excitation voltage.

Gemäß einem weiteren wichtigen Aspekt der Erfindung wird die Anregungsspannung an die Wandler für kurze Zeitdauern während eines Wagenrücklaufzyklus des Abtastdruckkopfs und während anderer derartiger Perioden der Inaktivität des Druckers angelegt, um Probleme zu verhindern, die bei der Inbetriebnahme auftreten, und um die Verteilung von Pigmenten oder die Auflösung von Farbstoffen und anderen Teilchen aufrechtzuerhalten, die in den Tinten enthalten sind, die in solchen Tintenstrahlvorrichtungen verwendet werden.According to another important aspect of the invention, the excitation voltage is applied to the transducers for short periods of time during a carriage return cycle of the scanning print head and during other such periods of inactivity of the printer to prevent problems encountered during start-up and to maintain the dispersion of pigments or the dissolution of dyes and other particles contained in the inks used in such ink jet devices.

Gemäß einem weiteren wichtigen Aspekt der Erfindung muß die Geometrie der Kammer sorgfältig kontrolliert werden, um sicherzustellen, daß Bedingungen vorliegen, die dem akustischen Mikrostreaming förderlich sind. Somit muß die Kammerlänge im Vergleich mit der Wellenlänge der Längenmoden-Störung der Wandler klein sein.According to another important aspect of the invention, the geometry of the chamber must be carefully controlled to ensure that conditions are conducive to acoustic microstreaming. Thus, the chamber length must be small compared to the wavelength of the length mode perturbation of the transducers.

Die oben genannten und weitere Aufgaben, Vorteile und neuen Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden genauen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen.The above and other objects, advantages and novel features of the invention will become apparent from the following detailed description of the preferred embodiment taken in conjunction with the accompanying drawings.

Brief explanation of the drawings

Fig. 1 ist eine Perspektivansicht einer Tintenstrahlvorrichtung, die eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellt;Fig. 1 is a perspective view of an ink jet apparatus embodying a preferred embodiment of the invention;

Fig. 2 ist ein Schnitt entlang der Linie 2-2 der Tintenstrahlvorrichtung von Fig. 1;Fig. 2 is a sectional view taken along line 2-2 of the ink jet apparatus of Fig. 1;

Fig. 3 ist eine vergrößerte Ansicht eines Bereichs des Schnitts von Fig. 2;Fig. 3 is an enlarged view of a portion of the section of Fig. 2;

Fig. 4a, 4b, 4c zeigen verschiedene Probleme, die mit der Inbetriebnahme der Tintenstrahlvorrichtung der Fig. 1 bis 3 zusammenhängen; undFig. 4a, 4b, 4c show various problems associated with the commissioning of the ink jet device of Figs. 1 to 3; and

Fig. 5 ist ein Blockbild, das ein Verfahren zum akustischen Mikrostreaming zeigt, um die in den Fig. 4b und 4c gezeigten Probleme zu beseitigen sowie die Verteilung von Pigmenten in pigmentierten Tinten aufrechtzuerhalten, die bei der Tintenstrahlvorrichtung gemäß der Erfindung verwendet werden.Fig. 5 is a block diagram showing a method of acoustic microstreaming to eliminate the problems shown in Figs. 4b and 4c as well as to maintain the distribution of pigments in pigmented inks used in the ink jet device according to the invention.

Detailed description of a preferred embodiment

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile in den gesamten Figuren bezeichnen, zeigt Fig. 1 eine Tintenstrahlvorrichtung mit einem Tintenstrahl-Druckkopf 10, der zur Bewegung entlang einer Abtastbahn angebracht ist, die mit den Pfeilen 12 und 14 bezeichnet ist. Der Tintenstrahl-Druckkopf 10 weist Tintenstrahl-Abbildungssysteme, die eine Anordnung oder Matrix von Tintenstrahlspritzern mit Düsenöffnungen 16 aufweisen, und einen vorrichtungseigenen oder zugehörigen Behälter 18 auf, der aus einer Wanne 20, die an der Rückseite des Tintenstrahl-Druckkopfs 10 liegt, gespeist wird. Der Tintenstrahl-Druckkopf 10 kann zweckmäßig entsprechend den Lehren der US-PS 4 459 601 vom 10. Juli 1984 von Stuart D. Howkins ausgebildet sein.Referring to the drawings, in which like reference numerals designate like or corresponding parts throughout the figures, Fig. 1 shows an ink jet device having an ink jet printhead 10 mounted for movement along a scan path indicated by arrows 12 and 14. The ink jet printhead 10 includes ink jet imaging systems comprising an array or matrix of ink jet squirts having nozzle orifices 16 and an inherent or associated reservoir 18 fed from a trough 20 located at the rear of the ink jet printhead 10. The ink jet printhead 10 may be conveniently constructed in accordance with the teachings of U.S. Patent No. 4,459,601 issued July 10, 1984 to Stuart D. Howkins.

Wie die Fig. 2 und 3 deutlicher zeigen, stößt eine Kammer 22, die die Düsenöffnung 16 hat, Tintentröpfchen aufgrund des Anregungszustands eines Wandlers 24 für jeden Tintenstrahlspritzer in der Anordnung aus. Der Wandler 24 dehnt sich aus und zieht sich zusammen, und zwar entlang der Dehnungsachse in Richtungen, die durch die Pfeile in Fig. 3 bezeichnet sind, und die Bewegung wird in die Kammer 22 durch eine Kopplungseinrichtung 26 eingekoppelt, die einen Fuß 28, ein viskoelastisches Material 30 angrenzend an den Wandler 24 und eine Membran 32 aufweist, die in die Position der Fig. 2 und 3 vorbelastet ist gemäß der Erfindung der US-PS 4 418 355 vom 29. Nov. 1983 für Thomas W. DeYoung et al.As shown more clearly in Figures 2 and 3, a chamber 22 having the nozzle orifice 16 ejects ink droplets in response to the excitation state of a transducer 24 for each ink jet in the array. The transducer 24 expands and contracts along the expansion axis in directions indicated by the arrows in Figure 3, and the motion is coupled into the chamber 22 by a coupling device 26 having a foot 28, a viscoelastic material 30 adjacent the transducer 24 and a diaphragm 32 preloaded into the position of Figs. 2 and 3 in accordance with the invention of U.S. Patent No. 4,418,355 issued Nov. 29, 1983 to Thomas W. DeYoung et al.

Gemäß einem wichtigen Aspekt der Erfindung muß die Kammer 22 relativ klein sein im Vergleich mit der Wellenlänge der Längenmoden-Störung des Wandlers 24. Das heißt, die Wellenlänge der Längenmoden-Störung ist bevorzugt ungefähr gleich der 20fachen Kammerlänge, wie in der US-PS 4 459 601 definiert. Eine solche Beziehung gewährleistet, daß die geometrischen Charakteristiken der Kammer 22 (d. h. Ecken, Diskontinuitäten usw.) ausreichend klein sind, um dem akustischen Mikrostreaming förderlich zu sein.According to an important aspect of the invention, the chamber 22 must be relatively small compared to the wavelength of the length mode perturbation of the transducer 24. That is, the wavelength of the length mode perturbation is preferably approximately equal to 20 times the chamber length, as defined in U.S. Patent No. 4,459,601. Such a relationship ensures that the geometric characteristics of the chamber 22 (i.e., corners, discontinuities, etc.) are sufficiently small to be conducive to acoustic microstreaming.

Tinte fließt in die Kammer 22 aus dem drucklosen Behälter 18 durch eine begrenzte Einlaßeinrichtung, die durch eine begrenzte verengte Öffnung 34 gebildet ist, die eine Öffnung in einer Begrenzungsplatte 36 aufweist. Gemäß einem wichtigen Aspekt der Erfindung ist die Querschnittsfläche der Tinte, die durch den Einlaß 34 in die Kammer 22 fließt, während der Ausdehnung und der Kontraktion des Wandlers 24 im wesentlichen konstant, und zwar ungeachtet der Lage des Einlasses 34 unmittelbar benachbart der Kopplungseinrichtung 26 und dem Wandler 24. Durch Versehen des Einlasses 34 mit einer geeigneten Größe gegenüber der Öffnung 16 in einer Drosselblende 38 kann die richtige Beziehung zwischen der Trägheit am Einlaß 34 und derjenigen an der Öffnung 16 unterhalten werden.Ink flows into the chamber 22 from the unpressurized container 18 through a restricted inlet means formed by a restricted constricted orifice 34 having an opening in a restrictor plate 36. According to an important aspect of the invention, the cross-sectional area of the ink flowing into the chamber 22 through the inlet 34 is substantially constant during expansion and contraction of the transducer 24, regardless of the location of the inlet 34 immediately adjacent the coupling means 26 and the transducer 24. By providing the inlet 34 with an appropriate size relative to the orifice 16 in an orifice 38, the proper relationship between the inertia at the inlet 34 and that at the orifice 16 can be maintained.

Wie Fig. 3 zeigt, hat der Behälter 18, der in einer Kammerplatte 40 gebildet ist, einen schrägen Rand 42, der in den Einlaß 34 führt, was der Erfindung der US-PS 4 424 521 vom 3. Jan. 1981 von Arthur M. Lewis et al. entspricht. Um ein mechanisches übersprechen durch die Tinte in der Kammer 22 zu minimieren, ist der Behälter 18 nachgiebig aufgrund der Membran 44, die mit der Tinte durch eine große Öffnung 46 in der Begrenzungsplatte 36 in Verbindung steht, die an einen Entlastungsbereich 48 in der Platte 50 angrenzt, wie Fig. 2 zeigt. Um ein Fluid-Übersprechen zu minimieren, ist jeder Tintenstrahlspritzer in der Anordnung bzw. Matrix von der Tinte und der Verbindung mit einer einzigen Kammer 22 isoliert.As shown in Fig. 3, the container 18, which is formed in a chamber plate 40, has a sloped edge 42 leading into the inlet 34, which corresponds to the invention of US-PS 4,424,521, issued Jan. 3, 1981 to Arthur M. Lewis et al. To minimize mechanical crosstalk through the ink in the chamber 22, the container 18 is compliant due to the Membrane 44 communicating with the ink through a large opening 46 in the confinement plate 36 adjacent to a relief region 48 in the plate 50 as shown in Fig. 2. To minimize fluid crosstalk, each ink jet splash in the array is isolated from the ink and from communication with a single chamber 22.

Gemäß der US-PS 4 439 780 vom 27. März 1984 von Thomas W. DeYoung et al. ist jeder Wandler 24, wie Fig. 2 zeigt, an seinen äußersten Enden geführt, wobei Zwischenbereiche des Wandlers 24 im wesentlichen nicht abgestützt sind, wie am besten in Fig. 2 gezeigt ist. Das eine Ende des Wandlers 24 ist durch das Zusammenwirken zwischen dem Fuß 28 und einem Loch 52 in der Platte 50 geführt. Wie Fig. 2 zeigt, hat das Loch 52 in der Platte 50 einen etwas größeren Durchmesser als der Fuß 28. Infolgedessen braucht nur sehr wenig Kontakt zwischen dem Fuß 28 und der Wand des Lochs 52 zu bestehen, da der Hauptkontakt, der den Fuß 28 festlegt und damit den Wandler 24 abstützt, mit dem viskoelastischen Material 30 besteht, wie am besten in Fig. 3 zu sehen ist. Das andere Ende des Wandlers 24 kann elastisch in einem Block 54 mit Hilfe eines nachgiebigen oder elastischen Materials 56, wie etwa Silicongummi angebracht sein. Das elastische Material 56 liegt in Schlitzen 58, die in Fig. 2 gezeigt sind, um eine Abstützung für das andere Ende des Wandlers 24 zu bieten. Der elektrische Kontakt mit dem Wandler 24 wird ebenfalls auf elastische Weise mittels einer elastischen Leiterplatte 60 hergestellt, auf die Leiterbahnen 62 gedruckt sind und die durch geeignete Mittel, wie etwa Lot 64 mit dem Wandler 24 elektrisch verbunden ist. Als Alternative zu dem Lot 64 kann der Wandler 24 an dem Block 54 mit Hilfe eines leitfähigen Silber-Epoxidmaterials angebracht sein, so daß die Notwendigkeit für das elastische Material 56 entfällt. Weitere Einzelheiten, die die Struktur und den Betrieb der oben beschriebenen Tintenstrahlvorrichtung betreffen, finden sich in der vorgenannten US-PS 4 459 601.According to U.S. Patent No. 4,439,780 issued March 27, 1984 to Thomas W. DeYoung et al., each transducer 24 is guided at its extreme ends as shown in Fig. 2, with intermediate portions of the transducer 24 being substantially unsupported as best shown in Fig. 2. One end of the transducer 24 is guided by the interaction between the foot 28 and a hole 52 in the plate 50. As shown in Fig. 2, the hole 52 in the plate 50 is slightly larger in diameter than the foot 28. As a result, very little contact need exist between the foot 28 and the wall of the hole 52 since the primary contact which secures the foot 28 and thereby supports the transducer 24 is with the viscoelastic material 30 as best shown in Fig. 3. The other end of the transducer 24 may be resiliently mounted in a block 54 by means of a resilient or resilient material 56 such as silicone rubber. The resilient material 56 lies in slots 58 shown in Figure 2 to provide support for the other end of the transducer 24. Electrical contact with the transducer 24 is also made resiliently by means of a resilient circuit board 60 having conductive traces 62 printed thereon and electrically connected to the transducer 24 by suitable means such as solder 64. As an alternative to the solder 64, the transducer 24 may be mounted to the block 54 by means of a conductive silver epoxy material, thus eliminating the need for the resilient material 56. Further details concerning the structure and operation of the ink jet device described above can be found in the aforementioned US Pat. No. 4,459,601.

Die Fig. 4a bis 4d zeigen mehrere Probleme, die bei der Inbetriebnahme von typischen Tintenstrahlvorrichtungen der vorstehend beschriebenen Art auftreten. Wenn ein sofort schreibbereiter Tintenstrahl nach einer Abschaltperiode erstmals eingeschaltet wird, gibt es eine Reihe von Erscheinungen, die bewirken, daß die Strahlcharakteristik Unterschiede gegenüber dem stabilen Betriebszustand aufweist. Diese Unterschiede bewegen sich zwischen einer geringfügigen Änderung der Tröpfchengeschwindigkeit und einem vollständigen Betriebsausfall des Tintenstrahls, und sie können eine unbestimmte Zeit dauern, wenn nicht eingegriffen wird. Solche Probleme zeigen sich im allgemeinen durch schlechte Druckqualität oder in extremen Fällen einen Druckausfall, wenn der Drucker erstmals eingeschaltet wird, und können zu ihrer Beseitigung eine erhebliche Betriebszeit oder manchmal auch eine Wartung des Druckkopfs benötigen.Figures 4a to 4d illustrate several problems encountered during start-up of typical ink jet devices of the type described above. When an instant-ready ink jet is first turned on after a shutdown period, there are a number of phenomena that cause the jet characteristics to differ from the steady state operating condition. These differences range from a slight change in droplet velocity to a complete failure of the ink jet to operate, and may last indefinitely if left unattended. Such problems generally manifest themselves as poor print quality or, in extreme cases, failure to print when the printer is first turned on, and may require significant uptime or sometimes print head maintenance to correct.

Die Ursachen solcher Probleme können ein oder mehrere von diversen unterschiedlichen Mechanismen sein, beispielsweise Verdunstung der Tinte, was eine Änderung der Eigenschaften der Tinte in der Düsenöffnung bewirkt. Im allgemeinen fallen diese Mechanismen unter zwei Kategorien: (1) eine Änderung der Tinteneigenschaften in der Düsenöffnung im gesamten Düsenöffnungsbereich; und (2) eine Änderung der Tinteneigenschaften in einer Zone um die Tintengrenzfläche innerhalb der Düsenöffnung und/oder der Luft. Im ersten Fall wird, wie Fig. 4a zeigt, die veränderte Tinte 100 bald aus der Düsenöffnung 16 ausgetrieben, und das Problem ist von relativ kurzer Dauer. Im zweiten Fall jedoch, wie in den Fig. 4b und 4c gezeigt ist, kann eine "veränderte Tinte" nicht nur entlang der Tinte/Luft-Grenzfläche 100a, sondern auch entlang der Tinte/Festkörper-Grenzfläche 100b vorhanden sein. Beim Auslösen des Tintenstrahls kann die Tinte/Luft-Grenzfläche 100a aufbrechen (Fig. 4c), so daß ein Tröpfchen 102 aus der Düsenöffnung 16 ausgestoßen werden kann, aber die Düsenöffnung 16 bleibt im wesentlichen ungereinigt.The causes of such problems may be one or more of several different mechanisms, for example evaporation of the ink causing a change in the properties of the ink in the nozzle orifice. Generally, these mechanisms fall into two categories: (1) a change in the ink properties in the nozzle orifice throughout the nozzle orifice area; and (2) a change in the ink properties in a zone around the ink interface within the nozzle orifice and/or the air. In the first case, as Fig. 4a shows, the altered ink 100 is soon expelled from the nozzle orifice 16 and the problem is of relatively short duration. In the second case, however, as shown in Figs. 4b and 4c, "altered ink" may be present not only along the ink/air interface 100a, but also along the ink/solid interface 100b. When the ink jet is initiated, the ink/air interface 100a may break open (Fig. 4c) so that a droplet 102 may be ejected from the nozzle orifice 16, but the nozzle orifice 16 remains substantially uncleaned.

Es wurde jedoch gefunden, daß zwar die veränderte Tinte an der Tinte/Luft-Grenzfläche 100a nicht ohne weiteres durch Auslösen des Strahls entfernt wird (da diese Grenzfläche 100a sehr dünn ist und die ihrer Bewegung zugehörige hydrodynamische Grenzflächenschicht nur zu sehr kleinen Scherkräften führt), jedoch die veränderte Tintenschicht durch akustisches Mikrostreaming gestört werden kann. Außerdem kann durch Nutzung von akustischem Mikrostreaming in einer Tintenstrahlvorrichtung, die pigmentierte Tinten verwendet, die Verteilung der in den pigmentierten Tinten enthaltenen Pigmente ohne weiteres aufrechterhalten werden.However, it has been found that while the altered ink at the ink/air interface 100a is not readily removed by firing the jet (since this interface 100a is very thin and the hydrodynamic interface layer associated with its motion results in very small shear forces), the altered ink layer can be disturbed by acoustic microstreaming. Furthermore, by using acoustic microstreaming in an inkjet device that uses pigmented inks, the distribution of the pigments contained in the pigmented inks can be readily maintained.

Unter Bezugnahme auf Fig. 5 in Verbindung mit der Tintenstrahlvorrichtung nach den Fig. 1 bis 3 wird nachstehend ein Verfahren und eine Vorrichtung zum akustischen Mikrostreaming in einer Tintenstrahlvorrichtung beschrieben. Jeder Wandler 24 wird bevorzugt sinusförmig durch ein Signal von einer Niederspannungsquelle 200 bei Frequenzen innerhalb eines vorbestimmten Bereichs um die Längenmoden-Resonanzfrequenz der Wandler 24 angeregt. Ein solches Signal kann von einem einfachen Oszillator oder einem herkömmlichen Signalgenerator erzeugt werden. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist beispielsweise die Längenmoden- Resonanzfrequenz ca. 55 kHz. Bei einer solchen Frequenz muß die Quelle 200 das sinusförmige Signal mit einem Pegel von etwa 1 V Effektivspannung abgeben. Jedenfalls werden die Wandler 24 für eine kurze Zeitdauer (d. h. in der Größenordnung von einer Sekunde oder weniger) so angeregt, bevorzugt während Perioden der Inaktivität des Druckers, etwa zwischen Wagenrücklaufzyklen des Abtastdruckkopfs 10 (Fig. 1). Die gleiche Wirkung kann jedoch über einen Frequenzbereich von ca. 10 kHz bis ca. 100 kHz erreicht werden, indem die Anregungsspannung etwas erhöht wird. Um beispielsweise ein akustisches Mikrostreaming außerhalb der Resonanz innerhalb des obigen Frequenzbereichs zu erzielen, wird eine Anregungsspannung von weniger als ca. 100 V, bevorzugt 60 bis 70 V und noch stärker bevorzugt 1 bis 10 V benötigt. Der Pegel der Anregungsspannung sollte in jedem Fall niedriger als die Treiberspannung der Wandler 24 sein. Auf diese Weise erfolgt durch die Anregung der Wandler 24, um entweder Probleme bei der Inbetriebnahme zu beseitigen oder die Verteilung von Pigmenten in pigmentierten Tinten zu fördern, keine Störung des normalen Druckerbetriebs.Referring now to Fig. 5 in conjunction with the ink jet apparatus of Figs. 1 to 3, a method and apparatus for acoustic microstreaming in an ink jet apparatus is described below. Each transducer 24 is preferably sinusoidally excited by a signal from a low voltage source 200 at frequencies within a predetermined range about the length mode resonant frequency of the transducers 24. Such a signal may be generated by a simple oscillator or a conventional signal generator. For example, in this preferred embodiment of the invention, the length mode resonant frequency is about 55 kHz. At such a frequency, the source 200 must output the sinusoidal signal at a level of about 1 volt rms. In any event, the transducers 24 are so excited for a short period of time (i.e., on the order of one second or less), preferably during periods of printer inactivity, such as between carriage return cycles of the scanning print head 10 (Fig. 1). However, the same effect can be achieved over a frequency range of about 10 kHz to about 100 kHz by increasing the excitation voltage slightly. For example, to achieve off-resonance acoustic microstreaming within the above frequency range, an excitation voltage of less than about 100 V, preferably 60 to 70 V and more preferably 1 to 10 V. The excitation voltage level should in any case be lower than the drive voltage of the transducers 24. In this way, the excitation of the transducers 24 to either eliminate start-up problems or to promote the dispersion of pigments in pigmented inks will not interfere with normal printer operation.

Es ist ersichtlich, daß viele Modifikationen und Änderungen der Erfindung angesichts der obigen Lehren möglich sind. Beispielsweise kann eine Optimierung des akustischen Mikrostreamings durch Konzentration der Intensitätsänderungen um die Spitze des Fußes 28 herum erreicht werden, indem die Gestalt des Fußes 28 geändert wird. Dabei kann der Fuß 28 eine im allgemeinen zylindrische Gestalt mit einer ebenen Stirnfläche nahe der Düsenöffnung 16 haben, wie die Fig. 2 und 3 zeigen, oder er kann alternativ eine im wesentlichen konische Gestalt aufweisen, wobei die Spitze des Konus nahe der Düsenöffnung 16 liegt, um die Intensitätsänderungen zu konzentrieren, die mit dem sinusförmigen Niederspannungssignal einhergehen, das an die Wandler 24 angelegt wird, wie oben beschrieben wurde. Ferner ist hierbei zu beachten, daß das angegebene Verfahren und die Vorrichtung sowohl mit flüssigen als auch mit Aufschmelz- oder Phasenänderungs-Tinten anwendbar sind. Solche Tinten sind zahlreich in den folgenden Patentschriften beschrieben: US-PS'en 4 386 961, 4 390 369 und 4 484 948.It will be appreciated that many modifications and variations of the invention are possible in light of the above teachings. For example, optimization of acoustic microstreaming can be achieved by concentrating the intensity changes around the tip of the foot 28 by changing the shape of the foot 28. The foot 28 may have a generally cylindrical shape with a flat face near the nozzle orifice 16, as shown in Figures 2 and 3, or alternatively it may have a substantially conical shape with the tip of the cone near the nozzle orifice 16 to concentrate the intensity changes associated with the low voltage sinusoidal signal applied to the transducers 24, as described above. It should also be noted that the disclosed method and apparatus are applicable to both liquid and melt or phase change inks. Such inks are described in numerous patents: US Pat. Nos. 4,386,961, 4,390,369, and 4,484,948.

Es versteht sich daher, daß die Erfindung im Rahmen der beigefügten Patentansprüche auch anders als ausdrücklich beschrieben in die Praxis umgesetzt werden kann.It is therefore to be understood that, within the scope of the appended claims, the invention may be implemented in practice otherwise than as expressly described.

Claims

1. Ink jet device comprising: - a variable volume chamber (22) having an ink droplet ejection orifice (16); - a transducer (24) adapted to expand and contract along an expansion axis in response to an electric field substantially transverse to the expansion axis, the transducer having a length mode resonant frequency; - coupling means (26) between the chamber (22) and the transducer (24) for expanding and contracting the chamber (22) in response to expansion and contraction along the axis of the transducer (24); and - a device (200) for acoustic microstreaming, wherein the microstreaming device (200) is coupled to the transducer (24) so that it is excited thereby with a signal with a predetermined waveform.

2. Device according to claim 1, wherein the microstreaming device (200) comprises a low-voltage signal source that delivers a substantially sinusoidal signal to the converter (24).

3. The apparatus of claim 1, wherein the substantially sinusoidal signal output from the low voltage source (200) has a predetermined frequency selected from a range of frequencies around the length mode resonance frequency.

4. The apparatus of claim 3, wherein the predetermined frequency has a frequency substantially equal to the length mode resonance frequency.

5. The device of claim 4, wherein the substantially sinusoidal signal output by the low voltage source (200) has an effective voltage of about one volt.

6. The device of claim 3, wherein the range of frequencies is between about 10 and 100 kHz.

7. The apparatus of claim 6, wherein the substantially sinusoidal signal output by the low voltage source (200) is less than 100 V.

8. Device according to claim 7, wherein the substantially sinusoidal signal output by the low voltage source (200) is between 60 and 70 V.

9. The device of claim 7, wherein the substantially sinusoidal signal output by the low voltage source (200) is between 1 and 10 V.

10. The apparatus of claim 4, wherein the substantially sinusoidal signal output from the low voltage source (200) is applied to the converter (24) for a predetermined period of time.

11. The apparatus of claim 10, wherein the predetermined period of time is less than one second.

12. The device of claim 1, wherein the coupling device (22) comprises a foot member (28) attached to the transducer (24) proximate the chamber, the chamber (22) having a predetermined geometry selected to optimize the microstreaming device.

13. The device of claim 12, wherein the predetermined geometry has a substantially cylindrical shape, which has a flat front area opposite the droplet ejection opening (16).

14. The apparatus of claim 12, wherein the preselected geometry comprises a substantially conical shape having a pointed end portion opposite the droplet ejection orifice.

15. A method for dispensing colorants contained in an ink used in an ink jet device of the type comprising: a scanning print head (10) having a variable volume chamber (22) with a droplet ejection orifice (16), a transducer (24) adapted to expand and contract along an extension axis in response to an electric field substantially transverse to the extension axis, the transducer (24) having a length mode resonant frequency, coupling means (26) between the chamber (22) and the transducer (24) for expanding and contracting the chamber (22) in response to expansion and contraction along the axis of the transducer (24), and means for energizing the transducer (24), the method comprising the steps of comprising: - scanning the printhead (10) in a first direction; - printing preselected characters by ejecting ink droplets from the nozzles (16) by energizing the transducers (24) with a first predetermined waveform; - scanning the printhead (10) in a second direction opposite to the first direction; and - energizing the transducers (24) with a second predetermined waveform while scanning in the second predetermined direction to cause acoustic microstreaming inside the inkjet device.

16. The method of claim 15, wherein the excitation step comprises the following steps: - Selecting an excitation frequency from a predetermined range of frequencies around the length mode resonance frequency; - applying the second predetermined waveform to the transducers (24) at a predetermined voltage; and - removing the second predetermined waveform from the transducers (24) after a preselected time of application thereto.

17. The method of claim 16, wherein the second predetermined waveform comprises a substantially sinusoidal waveform.

18. The method of claim 16, wherein the predetermined range of frequencies is 10 to 100 kHz.

19. The method of claim 16, wherein the predetermined voltage has an effective voltage of approximately 1 V.

20. The method of claim 16, wherein the predetermined time of application is less than one second.

21. An ink jet device having an array of ink jet nozzles (10), each nozzle comprising: - a variable volume chamber (22) having an ink droplet ejection orifice (16), the chamber (22) having a predetermined length; - a transducer (24) adapted to expand and contract along an extension axis in response to an electric field of predetermined strength substantially transverse to the extension axis, the transducer (24) having a length mode resonant frequency; - coupling means (26) between the chamber (22) and the transducer (24) for expanding and contracting the chamber in response to expansion and contraction along the axis of the transducer (24); and - a device for acoustic microstreaming, the microstreaming device comprising a low voltage signal source (200) coupled to the transducer (24) so as to be excited thereby with a signal of a predetermined waveform; - wherein the signal has a voltage level less than the predetermined strength of the electric field, and wherein the chamber length is substantially less than a wavelength of the length mode perturbation of the transducer (24).

22. The apparatus of claim 21, wherein the wavelength of the longitudinal mode perturbation is approximately twenty times the chamber length.

23. Apparatus according to claim 1, wherein ink droplets are ejected through the orifice (16) as needed in response to the expansion and contraction of the transducer (24).

24. The apparatus of claim 1, wherein the means for acoustic microstreaming causes acoustic microstreaming in the chamber (22) at a frequency approximately equal to the length mode resonance frequency.

25. The apparatus of claim 1, wherein said predetermined waveform causes a substantially stable, non-oscillatory ink flow in said chamber (22) on a small scale.

26. The apparatus of claim 1, wherein the coupling device (26) comprises means for concentrating intensity changes of the ink in the chamber (22) around the coupling device (26) associated with the signal.

27. The apparatus of claim 1, wherein the expansion and contraction of the transducer (24) causes the ejection of ink droplets through the orifice (16), wherein the acoustic microstreaming means generates acoustic microstreaming in the chamber (22) at a frequency of approximately the length mode resonance frequency, and wherein the predetermined waveform comprises a waveform designed to cause a substantially stable, non-oscillatory ink flow in the chamber on a small scale, wherein the coupling means comprises means for concentrating intensity changes of the ink in the chamber around the coupling means associated with the signal.

28. A method according to claim 15, wherein ink droplets are ejected through the orifice (16) on demand in response to the expansion and contraction of the transducer (24).

29. The method of claim 15, wherein the transducer (24) is excited with the second predetermined waveform at a frequency of approximately the length mode resonance frequency to cause a substantially stable, non-oscillatory ink flow in the chamber (22) on a small scale.

30. The method of claim 15, further comprising the step of: concentrating intensity changes of the ink in the chamber (22) by forming the chamber (22) with sharp discontinuities.

31. A method according to claim 15, wherein the expansion and contraction of the chamber (22) causes ejection of ink droplets through the orifice (16) and the second predetermined waveform has a frequency approximately the length mode resonance frequency to cause a substantially stable, non-oscillatory ink flow in the chamber (22) on a small scale, and the method further comprises the step of concentrating intensity changes of the ink in the chamber (22) by providing the chamber (22) with sharp discontinuities.

32. Apparatus according to claim 21, wherein ink droplets are ejected through the opening (16) as needed depending on the Expansion and contraction of the transducer (24).

33. The apparatus of claim 21, wherein the means for causing acoustic microstreaming causes acoustic microstreaming in the chamber (22) at a frequency of approximately the length mode resonance frequency.

34. Apparatus according to claim 21, wherein the waveform is designed to cause a substantially stable, non-oscillatory ink flow in the chamber (22) on a small scale.

35. Apparatus according to claim 21, wherein the coupling device (26) comprises means for concentrating intensity changes of the ink in the chamber (22) around the coupling device (26) associated with the signal.

36. Apparatus according to claim 21, wherein ink droplets are ejected through the orifice (16) as needed in response to the expansion and contraction of the transducer (24), wherein the means for causing acoustic microstreaming causes acoustic microstreaming in the chamber (22) at a frequency approximately the length mode resonance frequency, the waveform being designed to cause a substantially stable, non-oscillatory ink flow in the chamber (22) on a small scale, and wherein the coupling means (26) comprises means for concentrating intensity changes of the ink in the chamber (22) around the coupling means (26) associated with the signal.