DE60027526T2

DE60027526T2 - Verbesserung der Umlenkung für kontinuierlich arbeitende Tintenstrahldrucker

Info

Publication number: DE60027526T2
Application number: DE60027526T
Authority: DE
Inventors: Eastman Kodak Company Christopher N. Rochester Delametter; Eastman Kodak Company James M. Rochester Chwalek; Eastman Kodak Company David P. Rochester Trauernicht
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 1999-12-22
Filing date: 2000-12-11
Publication date: 2006-11-23
Anticipated expiration: 2020-12-12
Also published as: JP2001179983A; US20030043223A1; EP1110732A2; US6761437B2; EP1110732A3; JP4594516B2; EP1110732B1; US6497510B1; DE60027526D1

Description

Die Erfindung betrifft allgemein digital gesteuerte Tintenstrahldrucksysteme und insbesondere Verbesserungen an Systemen, bei denen ein kontinuierlicher Tintenstrom asymmetrisch beheizt wird, um die Strömungsrichtung zwischen Nichtdruck- und Druckbetrieb umzulenken.
Tintenstrahldruck ist nur eines von zahlreichen digital gesteuerten Drucksystemen. Beispiele für andere digitale Drucksysteme sind elektrofotografische Laserdrucker, elektrofotografische LED-Drucker, mechanische Rasterdrucker, Thermopapierdrucker, Filmrecorder, Thermowachsdrucker und Thermodiffusionsfarbdrucker. Tintenstrahldrucker bieten im Vergleich zu den anderen digitalen Drucksystemen den Vorteil, dass sie berührungslos, geräuscharm und mit normalem Papier arbeiten und weder Toner noch Fixierung benötigen.
Tintenstrahldrucker arbeiten entweder mit Tropfen auf Anforderung oder mit kontinuierlichem Strahl. Über die Jahre hat sich jedoch das kontinuierlich arbeitende Tintenstrahlsystem immer mehr durchgesetzt. Dazu haben vor allem folgende Entwicklungen beigetragen:
Der Tintenstrahldruck mit kontinuierlichem Strahl als solcher geht mindestens auf das Jahr 1929 zurück, wie das Hansell in diesem Jahr erteilte US-Patent 1 941 001 beweist.
Das Sweet u.a. im März 1968 erteilte US-Patent No. 3 373 437 offenbart eine Anordnung kontinuierlich arbeitender Tintenstrahldüsen, bei denen zu druckende Tintentropfen wahlweise elektrisch geladen und zu einem Aufzeichnungsmedium umgelenkt werden. Diese Technik ist als kontinuierlicher Tintenstrahldruck mit binärer Umlenkung bekannt und wird von mehreren Herstellern, darunter Elmjet und Scitex, eingesetzt.
Das Hertz u.a. im Dezember 1968 erteilte U.S. Patent No. 3 416 153 offenbart ein Verfahren zum Erzielen einer veränderlichen optischen Dichte gedruckter Punkte beim kontinuierlichen Tintenstrahldruck. Dabei dient die elektrostatische Dispersion eines elektrisch geladenen Tropfenstroms zum Steuern der Anzahl von Tröpfchen, die eine kleine Öffnung passieren. Diese Technik kommt in den von Iris hergestellten Tintenstrahldruckern zur Anwendung.
Das ebenfalls Hertz erteilte U.S. Patent No. 4 346 387 aus dem Jahre 1982 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern der elektrostatischen Ladung von Tröpfchen, die durch Auflösen eines mit Druck beaufschlagten Flüssigkeitsstroms an einer Tropfenbildungsstelle, die in einem elektrostatischen Ladetunnel mit einem elektrischen Feld gelegen ist, gebildet werden. Die Tropfenbildung erfolgt an einem Punkt in dem elektrischen Feld, welcher der jeweils gewünschten vorbestimmten Ladung entspricht. Für eine zuverlässige Umlenkung der Tropfen werden zusätzlich zu Ladetunneln Umlenkbleche verwendet.
Das Eaton im April 1975 erteilte U.S. Patent No. 3 878 519 offenbart die wahlweise Beaufschlagung eines Flüssigkeitsstroms mit einer Energiequelle, beispielsweise Wärme, um den Zeitpunkt, an dem sich Tröpfchen von dem Flüssigkeitsstrom lösen, zu steuern.
Bis vor kurzem kamen bei allen herkömmlichen kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahltechniken in der einen oder anderen Form elektrostatische Ladetunnel zur Anwendung, die in der Nähe der Tropfenbildungsstelle in einem Tintenstrom angeordnet wurden. In den Tunneln können einzelne Tropfen wahlweise geladen werden. Die ausgewählten Tropfen werden nach dem Laden stromabwärts von Umlenkblechen umgelenkt, zwischen denen ein großer Potentialunterschied besteht. Normalerweise wird eine Rinne (manchmal auch als „Fangeinrichtung" bezeichnet) verwendet, um die geladenen Tropfen abzufangen und am Drucken zu hindern, während die nicht geladenen Tropfen ungehindert auf das Aufzeichnungsmedium gelangen können. Auf diese Weise wird der Tintenstrom zwischen „Nichtdruck"- und „Druck"-Betrieb umgelenkt.
Nunmehr ist ein Tintenstrahldruckersystem vorgeschlagen worden, das die oben beschriebenen elektrostatischen Ladetunnel unnötig macht. Es hat zusätzlich den Vorteil, dass es die Funktionen (1) der Tröpfchenbildung und (2) der Tröpfchenumlenkung besser koppelt. Das Druckersystem umfasst einen Tintenförderkanal, eine Quelle unter Druck stehender Tinte, die mit dem Tintenförderkanal in Verbindung steht, und eine Düse mit einem in den Tintenförderkanal mündenden Loch, aus dem ein kontinuierlicher Tintenstrom fließt. Ein Tröpfchenerzeuger in der Düse bewirkt, dass sich der Tintenstrom an einer von der Düse beabstandeten Stelle in eine Vielzahl von Tröpfchen auflöst. Die Tröpfchen werden von der von einem Heizelement (in dem Düsenloch) abgegebenen Wärme umgelenkt, wobei das Heizelement einen wahlweise betätigbaren Abschnitt aufweist, d.h. einen Abschnitt, der nur einem Teil des Düsenlochs zugeordnet ist. Durch wahlweise Betätigung eines bestimmten Heizelementabschnitts in einem bestimmten Teil des Düsenlochs wird eine so genannte asymmetrische Beheizung des Stroms erzeugt. Durch einen Wechsel der Abschnitte kann die Richtung, in der die asymmetrische Beheizung erfolgt, geändert werden. Dadurch können die Tröpfchen u.a. zwischen einer „Druck"-Richtung (auf ein Empfangsmedium) und einer „Nichtdruck-Richtung" (zurück in eine „Fangeinrichtung") umgelenkt werden.
Asymmetrische Beheizung führt zu einer Tintenstrahlumlenkung, deren Größe von verschiedenen Faktoren, wie zum Beispiel den geometrischen und thermischen Eigenschaften der Düsen, der zugeführten Wärmemenge, der Druckbeaufschlagung und den physikalischen, chemischen und thermischen Eigenschaften der Tinte, abhängen. Obwohl lösungsmittelbasierte (insbesondere alkoholbasierte) Tinten recht gute Umlenkungsmuster aufweisen und in asymmetrisch beheizten kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldruckern eine hohe Bildqualität erreichen, ist dies bei wasserbasierten Tinten bisher nicht der Fall. Wasserbasierte Tinten erfordern für eine vergleichbare Bildqualität einen Umlenkungsgrad, der mit den bisher üblichen asymmetrischen Beheizungen, Strahlgeschwindigkeiten, Abständen und Ausrichtungstoleranzen nicht verwirklicht werden konnte. Eine Möglichkeit, den Umlenkungsgrad für solche kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahlsysteme innerhalb der Systemtoleranzen zu vergrößern, würde daher einen überraschenden, aber signifikanten technischen Fortschritt darstellen und einen wesentlichen Bedarf der Industrie für wasserbasierte, und somit umweltfreundlichere, Tinten decken.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für die Umlenkung von Tinte zu schaffen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Druckkopfs. Diese Aufgaben werden von der in den folgenden Ansprüchen definierten Erfindung gelöst.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines beispielhaften kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldruckkopfs und einer Düsenanordnung während ein Druckmedium (z.B. Papier) unter dem Tintenstrahldruckkopf durchrollt,
2 eine Querschnittsansicht eines Düsenmundstücks aus einer Düsenanordnung nach dem Stand der Technik mit d₁ (Abstand zum Druckmedium) und θ₁ (Umlenkungswinkel),
3 eine Aufsicht direkt in eine Düse mit einem die Düse umgebenden asymmetrischen Heizelement,
4 eine Querschnittsansicht eines Düsenmundstücks aus einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit d₂ und θ₂,
5 eine Querschnittsansicht eines Düsenmundstücks aus einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit d₃ und θ₃, und
6 eine grafische Darstellung, welche die Beziehungen zwischen d₁–d₃, θ₁–θ₃ und A veranschaulicht.
Die folgende Beschreibung konzentriert sich auf Elemente, die Bestandteil erfindungsgemäßer Vorrichtungen oder Verfahren sind oder unmittelbar mit diesen zusammenwirken. Im einzelnen hier nicht dargestellte oder beschriebene Elemente können die verschiedensten, dem Fachmann bekannte Formen annehmen.
In 1 wird ein kontinuierlich arbeitendes Tintenstrahldruckersystem als Ganzes mit 10 bezeichnet. In dem Druckkopf 1 mit einer Anordnung von Düsenheizelementen 2 befinden sich Heizelement-Steuerschaltungen (nicht dargestellt), die Signale für einen Tintendruckregler (nicht dargestellt) verarbeiten.
Die Heizelement-Steuerschaltungen lesen Daten aus dem Bildspeicher aus und senden mit Zeitfolgesteuerung elektrische Impulse an die Anordnung von Düsenheizelementen 2. Diese Impulse werden zur richtigen Zeit an die richtige Düse angelegt, sodass aus einem kontinuierlichen Tintenstrom gebildete Tropfen an der von den aus dem Bildspeicher gesendeten Daten bezeichneten richtigen Stelle Punkte auf einem Aufzeichnungsmedium 3 bilden. Unter Druck stehende Tinte fließt aus einem Tintenreservoir (nicht dargestellt) zu einem Tintenförderkanal 4 und durch die Düsenanordnung 2 entweder auf das Empfangsmedium 3 oder in die Rinne 9.
2 zeigt eine vergrößerte Querschnittsansicht eines einzelnen Düsenheizelements 2a/2a' nach dem Stand der Technik aus der in 1 dargestellten Düsenanordnung 2. Die Pfeile 5 im Tintenförderkanal 4 zeigen an, dass die Tinte im Wesentlichen senkrecht in das Düsenloch 6 einströmt. Eine relativ dicke Wandung 7 dient u.a. dazu, die Tinte im Kanal 4 gegen die in dem Düsenheizelement 2a/2a' erzeugte Wärme zu isolieren. Die dicke Wandung 7 kann auch als „Lochmembrane" bezeichnet werden. Ein Tintenstrom 8 bildet beim Austritt aus der Düse 2a/2a' zunächst einen Meniskus. In einem bestimmten Abstand unter der Düse 2a/2a' löst sich der Tintenstrom 8 in eine Vielzahl von Tropfen 11 auf.
3 zeigt eine vergrößerte Unteransicht des Heizelements 2a/2a' mit der Linie 2-2, entlang welcher die Querschnittsansicht in 2 betrachtet wird. Wie ersichtlich, hat das Heizelement 2a/2a' zwei Abschnitte (Abschnitte 2a und 2a'), die jeweils etwa eine Hälfte der Düsenlochöffnung 6 abdecken. Heizelementabschnitte in anderer Anzahl und Ausführung können jedoch ebenfalls verwendet werden. Ein Abschnitt stellt einen gemeinsamen Anschluss G und einen getrennten Anschluss P, der andere die Anschlüsse G' und P' bereit. Asymmetrische Beheizung bedeutet lediglich, dass der eine oder der andere Abschnitt des Heizelements unabhängig von dem anderen mit elektrischem Strom beaufschlagt wird. Wenn dies geschieht, lenkt die Wärme den Tintenstrom 8 und die Tropfen 11 von der jeweiligen Wärmequelle weg. Bei einer gegebenen Wärmemenge werden die Tintentropfen 11 in einem Winkel θ₁ in 2 umgelenkt und legen dann vom Druckkopf bis zum Auftreffen auf das Empfangsmedium 3 eine senkrechte Wegstrecke d₁ zurück. Der Abstand „A" bezeichnet die Entfernung zwischen dem Punkt, an dem die umgelenkten Tropfen 11 bei Umlenkung unter dem Winkel θ₁ auf dem Empfangsmedium (oder in einer Fangeinrichtung) auftreffen würden, und dem Punkt, an dem die Tropfen 12 ohne Umlenkung gelandet wären. Der Strom wird in eine Richtung umgelenkt, die von der Beheizung wegführt. Die Tintenrinne 9 ist so konfiguriert, dass die umgelenkten Tintentröpfchen 11 aufgefangen werden, während die nicht umgelenkten Tropfen 12 auf ein Aufzeichnungsmedium gelangen können. Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung könnte die Tintenrinne (Fangeinrichtung) 9 auch so ausgerichtet werden, dass die nicht umgelenkten Tropfen 12 aufgefangen werden, während die umgelenkten Tropfen 11 das Aufzeichnungsmedium erreichen können.
Die Tinte im Förderkanal strömt aus einem mit Druck beaufschlagten Reservoir (nicht dargestellt) aus und steht daher unter Druck. Bisher hing der für einen optimalen Betrieb geeignete Tintendruck von mehreren Faktoren ab, insbesondere der Geometrie und den thermischen Eigenschaften der Düsen und den thermischen Eigenschaften der Tinte. Ein konstanter Druck kann durch Einsatz eines Tintendruckreglers (nicht dargestellt) erzielt werden.
4 zeigt, wie die Arbeitsweise der vorliegenden Erfindung den seitlichen Verlauf der Tintenströmungsmuster 5 in dem Tintenförderkanal 4 durch Anbringen einer geometrischen Sperre 20 in dem Förderkanal 4 unmittelbar unter dem Düsenloch 6 verbessert. Diese Sperre 20 zur Verbesserung der seitlichen Strömung kann auch eine andere Größe, Form und Lage aufweisen, ist aber geeignet, aufgrund der Seitlichkeit der Strömung die Umlenkung um ein Vielfaches von x zu verbessern und daher die Abhängigkeit von Tinteneigenschaften (Oberflächenspannung, Dichte, Viskosität, Wärmeleitfähigkeit, spezifische Wärmekapazität usw.), Düsengeometrie und thermischen Eigenschaften der Düse zu verringern und die Steuerung und die Bildqualität zu verbessern. Vorzugsweise weist die Sperre 20 eine seitliche Wandung auf, die parallel zur Reservoirseite der Wandung 7 verläuft, beispielsweise quadratisch, kubisch, rechtwinklig, dreieckig usw. Die Vergrößerung der Umlenkung ist ersichtlich, wenn man beispielsweise den Winkel θ₁ in 2 mit dem Winkel θ₂ in 4 vergleicht. Diese Vergrößerung der Umlenkung des Tintenstroms ermöglicht Verbesserungen bei der Tropfenplatzierung (und damit der Bildqualität), weil das Aufzeichnungsmedium 3 näher an den Druckkopf 1 herangebracht werden kann (d₂ ist kleiner als d₁), während die übrigen Systemtoleranzen (Abstand, Ausrichtung usw.) beibehalten werden können, beispielsweise der Abstand A. Die Lochmembrane oder Wandung 7 kann auch dünner ausgeführt werden. Es hat sich gezeigt, dass eine dünnere Wandung die Umlenkung weiter vergrößert, was wiederum die pro Winkelgrad der Umlenkung θ₂ benötigte Wärmemenge verringert.
5 zeigt, dass die Tropfenplatzierung und damit die Bildqualität durch eine Sperre 20, die am Eintritt zum Düsenloch 6 eine fast totale Seitenströmung erzeugt, noch weiter verbessert werden kann. Der Abstand d₃ vom Druckmedium 3 nimmt wiederum pro Wärmegrad ab, weil der Umlenkwinkel θ₃ pro Temperatureinheit erhöht werden kann.
6 zeigt, dass die Tropfenplatzierung A konstant bleibt, wenn die Abstände vom Druckmedium d₁, d₂ und d₃ immer kleiner und die Umlenkwinkel θ₁, θ₂ und θ₃ immer größer werden. Die verbesserte seitliche Strömung ermöglicht eine Miniaturisierung der Baumaße des Druckers bei gleichzeitiger Verbesserung der Bildgröße und Bildschärfe.

Claims

Kontinuierlich arbeitender Tintenstrahldruckkopf (1) mit: einem Tintenförderkanal (4); einem Düsenloch (6), das in Strömungsverbindung mit dem Tintenförderkanal steht; einer Quelle unter Druck stehender Tinte, die mit dem Tintenförderkanal in Verbindung steht; einem Mechanismus zum Ausbilden von Tintentropfen, mit einem Heizelement (2), das dem Düsenloch betriebsmäßig zugeordnet ist; gekennzeichnet durch eine Sperre (20), die im Tintenförderkanal derart angeordnet ist, dass Flüssigkeit um die Sperre herum strömt, und die das Düsenloch, von einer Ebene rechtwinklig zum Düsenloch in Richtung der Lochachse aus betrachtet, überlappt.
Druckkopf nach Anspruch 1, worin die Sperre, von einer Ebene rechtwinklig zum Düsenloch aus betrachtet, bezüglich des Düsenlochs zentriert ist.
Druckkopf nach Anspruch 1, worin der Tintenförderkanal mindestens eine Wandung aufweist und die Sperre mit der mindestens einen Wandung einstückig ausgebildet ist.
Druckkopf nach Anspruch 1, worin das Heizelement einen wahlweise betätigbaren Abschnitt (2a, 2a') aufweist.
Druckkopf nach Anspruch 1, worin die Sperre eine Seitenwandung aufweist, die, von einer Ebene senkrecht zum Düsenloch aus betrachtet, im Tintenförderkanal parallel zum Düsenloch angeordnet ist.
Druckkopf nach Anspruch 1, worin das Düsenloch einen Durchmesser hat und die Sperre eine vertikale Wandung aufweist, die im Tintenförderkanal an Orten angeordnet ist, die sich, von einer Ebene senkrecht zum Düsenloch aus betrachtet, über den Durchmesser des Düsenlochs hinaus erstrecken.
Druckkopf nach Anspruch 1, worin eine Fläche der Sperre, von einer Ebene rechtwinklig zum Düsenloch aus betrachtet, parallel zum Düsenloch verläuft.
Druckkopf nach Anspruch 1, worin der Mechanismus zum Ausbilden von Tintentropfen auf dem Druckkopf an einem anderen Ort angeordnet ist als die Sperre.
Verfahren zur Umlenkung eines kontinuierlichen Tintenstrahls, mit den Schritten: Bereitstellen eines Tintenstroms von einem Tintenförderkanal durch ein Düsenloch, wobei der Tintenstrom von einem mit dem Düsenloch in Strömungsverbindung stehenden Tintenvorrat aus erfolgt, in dem unter Druck stehende Tinte in einer Menge vorhanden ist, die ausreicht, um einen kontinuierlichen Tintenstrom durch das Düsenloch zu erzeugen; Erzeugen eines seitlichen Strömungsmusters in der Tinte; und Bewirken, dass die Tinte umgelenkt wird, während sie durch das Düsenloch strömt, wobei das Erzeugen der seitlichen Strömung in der Tinte den Schritt umfasst des Bewirkens, dass die Tinte um eine im Tintenförderkanal angeordnete Sperre herum strömt, die, von einer Ebene rechtwinklig zum Düsenloch in Richtung der Lochachse aus betrachtet, das Düsenloch überlappt.