DE60035963T2

DE60035963T2 - Verfahren zum ansteuern eines tintenstrahldruckkopfes und tintenstrahlaufzeichnungsvorrichtung

Info

Publication number: DE60035963T2
Application number: DE60035963T
Authority: DE
Inventors: Masakazu Okuda; Masatoshi Araki
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1999-01-28
Filing date: 2000-01-26
Publication date: 2008-05-15
Anticipated expiration: 2020-01-27
Also published as: EP1155863B1; EP1155863A4; EP1155863A1; JP2000218778A; DE60035963D1; WO2000044564A1; CN1345272A; JP3427923B2; US6705696B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines Tintenstrahlaufzeichnungskopfes und eine Tintenstrahlaufzeichnungsvorrichtung und insbesondere ein Steuerverfahren zum Ansteuern eines Tintenstrahlaufzeichnungskopfes zum Aufzeichnen von Zeichen und Bildern durch Ausstoßen von kleinen Tintentröpfchen aus einer Tintendüse in einer Tintenstrahlaufzeichnungsvorrichtung.
HINTERGRUNDTECHNIK
Als herkömmliches Tintenstrahlaufzeichnungssystem ist ein Tintenstrahlsystem vom Tröpfchen-bei-Bedarf-Typ (engl.: drop-on-demand-type) bekannt, wodurch ein elektromechanischer Wandler, wie zum Beispiel ein piezoelektrischer Aktor, dazu verwendet wird, eine Druckwelle (akustische Welle) hervorzurufen, die in einer mit einer flüssigen Tinte gefüllten Druckkammer zu erzeugen ist, so dass die Druckwelle ein Tintentröpfchen aus einer mit der Druckkammer verbundenen Düse ausstößt. Ein derartiges Tintenstrahlaufzeichnungsverfahren, das das Tintenstrahlsystem vom Tröpfchen-bei-Bedarf-Typ verwendet, ist zum Beispiel in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. Sho. 53-12138 offenbart. Ein Beispiel der Anordnung des Tintenstrahlaufzeichnungskopfes dieser Bauart ist in 22 gezeigt.
In Bezug auf 22 ist eine Druckkammer 61 mit einer Düse 62 zum Ausstoßen von Tinte und mit einem Tintenversorgungsweg 64 zum Leiten der Tinte von einem Tintenbehälter (nicht gezeigt) durch eine gemeinsame Tintenkammer 63 verbunden. Eine Schwingungsplatte 65 ist an der unteren Oberfläche der Druckkammer befestigt.
Wenn ein Tintentröpfchen ausgestoßen werden soll, arbeitet ein piezoelektrischer Aktor 66, der außen an der Druckkammer 61 befestigt ist, um die Schwingungsplatte 65 zu verlagern, wodurch das Volumen in der Druckkammer 61 geändert wird und deshalb darin eine Druckwelle erzeugt wird. Diese Druckwelle bewirkt, dass ein Teil der in die Druckkammer 61 gefüllten Tinte durch die Düse 62 als ein fliegendes Tintentröpfchen 67 ausgestoßen wird. Das fliegende Tintentröpfchen landet auf einem Aufzeichnungsmedium, zum Beispiel ein Aufzeichnungspapier, und bildet einen Auf zeichnungspunkt darauf. Eine solche Bildung von Aufzeichnungspunkten wird auf der Basis von Bilddaten wiederholt, wodurch Zeichen oder Bilder auf dem Aufzeichnungspapier aufgezeichnet werden.
Um bei diesem Tintenstrahlaufzeichnungskopftyp eine hohe Bildqualität zu erreichen, ist es notwendig, den Durchmesser des ausgestoßenen Tintentröpfchens (Tröpfchendurchmesser) zu verringern. Insbesondere um ein feines Bild mit geringer Körnigkeit zu erreichen, muss der Aufzeichnungspunkt (Pixel) auf dem Aufzeichnungspapier so klein wie möglich gebildet werden. Deswegen muss der Durchmesser des ausgestoßenen Tintentröpfchens verkleinert werden. Im Allgemeinen verringert sich die Körnigkeit des Bildes deutlich, wenn der Punktdurchmesser 40 μm oder kleiner ist. Wenn der Punktdurchmesser 30 μm oder kleiner ist, wird es so schwierig, die individuellen Punkte noch im Glanzbereich des Bildes visuell zu erkennen, so dass sich die Bildqualität deutlich verbessert.
Das Verhältnis zwischen dem Tintentröpfchendurchmesser und dem Punktdurchmesser hängt ab von der Fluggeschwindigkeit der Tintentröpfchen (Tröpfchengeschwindigkeit), physikalischen Eigenschaften der Tinte (Viskosität, Oberflächenspannung), der Art des Aufzeichnungspapiers, usw. ab. Normalerweise ist der Punktdurchmesser etwa zweimal so groß wie der Tintentröpfchendurchmesser. Um dementsprechend einen Punktdurchmesser von 30 μm oder kleiner zu erreichen, muss der Tintentröpfchendurchmesser zu 15 μm oder kleiner eingestellt werden. In der vorliegenden Beschreibung bezieht sich der Durchmesser des Tintentröpfchens (Tröpfchendurchmesser) auf den Durchmesser eines sphärischen Tröpfchens anstelle der Gesamtmenge an Tinte (einschließlich der Anhängsel), die bei einem einzelnen Ausstoßvorgang ausgestoßen wird.
Die effektivste Art, den Tintentröpfchendurchmesser zu verkleinern, ist das Reduzieren des Düsendurchmessers. Praktisch kann jedoch der Düsendurchmesser angesichts technischer Schwierigkeiten in der Herstellung und dem Umstand dass die Düse dazu tendiert zu verstopfen, wenn der Düsendurchmesser reduziert wird nicht auf weniger als ca. 25 μm reduziert werden. Dementsprechend ist es unmöglich, einen Tintendurchmesser in der Größenordnung von 15 μm allein durch Verringern des Düsendurchmessers zu erreichen. Zur Lösung dieses Problems ist es bekannt, den Tröpfchendurch messer durch die angewendeten Steuerverfahren zu reduzieren und einige effektive Verfahren vorgeschlagen werden.
Als ein derartiges Beispiel zeigt die japanische Patentveröffentlichung Nr. Sho. 55-17589 ein Meniskus-Steuerverfahren, wodurch die Druckkammer einmal kurz vor dem Ausstoßen expandiert wird und dann ein Tintentröpfchen ausgestoßen wird, wenn der Tintenmeniskus bei der Düsenöffnung zur Druckkammer hin bewegt wird. 23 zeigt ein Beispiel der Steuerwellenform zum Ansteuern des piezoelektrischen Aktors mit Hilfe dieses Verfahrens. Das Verhältnis in der vorliegenden Beschreibung zwischen der Steuerspannung und der piezoelektrischen Aktorfunktion ist derart, dass das Volumen der Druckkammer abnimmt, wenn die Steuerspannung zunimmt, umgekehrt, wenn die Steuerspannung abnimmt, nimmt das Volumen der Druckkammer zu. Im Allgemeinen werden die Polaritäten abhängig vom Aufbau des piezoelektrischen Aktors und der Polarisationsrichtung des piezoelektrischen Elements oft vertauscht.
In Bezug auf die Steuerwellenform, die in 23 gezeigt wird, expandiert ein Spannungsabfall 71 von V1 bis Null Volt das Volumen der Druckkammer. Ein nachfolgender Spannungsanstieg 71 von Null Volt auf V2 komprimiert das Volumen der Druckkammer, um dadurch ein Tintentröpfchen auszustoßen. Das Intervall jeder Abfallzeit t1 und Anstiegszeit t2 ist im Allgemeinen in der Größenordnung von 2–10 μs, was länger als die inhärente Periode Ta des herkömmlichen piezoelektrischen Aktors ist.
25(a) bis (d) veranschaulichen die Bewegung des Tintenmeniskus am Düsenöffnungsbereich während der Anwendung der Steuerwellenform von 23. Der Tintenmeniskus umfasst während dem Startzustand (25(a)) einen oberen flachen Bereich. Da die Druckkammer kurz vor dem Ausstoßen expandiert wird, nimmt der Kopfbereich des Tintenmeniskus eine konkave Form an, wie in 25(b) gezeigt. Da die Druckkammer durch den Spannungsanstieg 71 komprimiert wird, wenn ein Tintenmeniskus besteht, bildet sich eine dünne, Flüssigkeitssäule 83 in der Mitte des Tintenmeniskus wie in 25(c) gezeigt. Dem folgt die Bildung eines Tintentröpfchens 84, wenn sich die Spitze der Flüssigkeitssäule abtrennt (25(d)). Der Tintentröpfchendurchmesser ist damit im wesentlichen gleich der Dicke der Flüssigkeitssäule gebildet und dünner als der Düsendurchmesser. So ist es durch die Verwendung eines derartigen Steuerverfahrens möglich, ein Tin tentröpfchen mit einem Durchmesser auszustoßen, der kleiner als der Düsendurchmesser ist.
Wie oben beschrieben, ermöglicht das Meniskus-Steuersystem das Ausstoßen eines Tintentröpfchen mit einem Durchmesser, der kleiner als der Düsendurchmesser ist. Wenn eine derartige Steuerwellenform wie in 23 gezeigt, benutzt wurde, war jedoch der kleinste Durchmesser des Tröpfchens, der tatsächlich erreicht werden konnte, etwa 25 μm, was noch nicht gut genug ist, um den Bedarf nach höherer Bildqualität zu erfüllen.
24 zeigt eine weitere Steuerwellenform als ein Steuermittel, um das Ausstoßen eines kleineren Tröpfchens zu ermöglichen. In dieser in 24 gezeigten Wellenform saugt ein Spannungsabfall 73 den Tintenmeniskus kurz vor dem Ausstoßen an. Ein nachfolgender Spannungsanstieg 74 komprimiert das Volumen der Druckkammer und ruft dabei hervor, dass sich eine Flüssigkeitssäule bildet. Ein Spannungsabfall 75 trennt ein Tröpfchen von der Spitze der Flüssigkeitssäule in einem frühen Zeitraum. Ein Spannungsanstieg 76 unterdrückt die Nachschwingungen der restlichen Druckwelle nach dem Ausstoßen des Tintentröpfchens. In anderen Worten die Steuerwellenform von 24 basiert auf dem herkömmlichen Meniskus-Steuersystem, bei dem eine Druckwellensteuerung zum frühen Abtrennen des Tintentröpfchens und zum Unterdrücken des Nachschwingens eingebaut ist. Diese Anordnung ermöglicht einem Tintentröpfchen mit einem Tröpfchendurchmesser in der Größenordnung von 20 μm in einer stabilen Weise ausgestoßen zu werden.
Es war jedoch immer noch schwierig oder weniger leicht selbst durch Verwenden dieser verbesserten Steuerwellenform, ein Tintentröpfchen mit einem Tintendurchmesser von 20 μm auszustoßen und insbesondere war ein Tintendurchmesser von 15 μm oder weniger unmöglich. Somit gab es kein Steuerungsverfahren, das den Tintendurchmesser von 15 μm oder weniger erreichen konnte, der aus Bildqualitätsgründen benötigt wurde. Einer der wichtigsten Gründe dafür war, dass beim herkömmlichen Tintenstrahlaufzeichnungskopf der Tintenstrahlausstoß mittels einer von der akustischen Kapazität der Druckkammer beeinflussten Druckwelle durchgeführt wurde. Dieser Grund wird nachstehend im Detail erklärt.
26 zeigt die Ergebnisse einer Geschwindigkeitsänderungsüberwachung im Tintenmeniskus (Teilchengeschwindigkeitsänderung) mit einem Laser- Doppler-Messgerät, wobei die Änderungen hervorgerufen werden, wenn eine Steuerwellenform von 24 auf den piezoelektrischen Aktor angewendet wird. Wie in der Figur gezeigt, schwingt der Tintenmeniskus aufgrund der in der Druckkammer erzeugten Druckwelle. Im Beispiel von 26 beträgt die inhärente Periode Tc der Druckwelle 13 μs und vorausgesetzt, dass eine Druckwelle an den jeweiligen Knoten der Steuerwellenform erzeugt wird, ergibt sich eine komplexe Geschwindigkeitsänderung im Tintenmeniskus.
Das Volumen des ausgestoßenen Tintentröpfchens kann als im Wesentlichen proportional zum Produkt des schattierten Bereichs angesehen werden, der vom positiven Starthalbzyklus der Druckwelle von 26 und dem Bereich der Düsenöffnung definiert wird. Eine Schätzung des Tröpfchendurchmessers (Tropfenvolumen) unter der Annahme, dass die Tinte aus der Düse mit einer positiven Geschwindigkeit ausgestoßen wird (Geschwindigkeit in der Auslassrichtung der Düse) und als ein Tintentröpfchen fliegt, entspricht nämlich gut mit einem tatsächlich gemessenen Tröpfchendurchmesser (Tröpfchenvolumen). Wenn das Meniskus-Steuerungssystem benutzt wird, bildet sich eine Flüssigkeitssäule, die dünner als der Düsendurchmesser ist und somit verringert sich der effektive Düsenöffnungsbereich, obwohl das Verhältnis, bei dem das Tintentröpfchenvolumen im Wesentlichen proportional zu der schattierten Fläche von 26 ist, noch gilt. Um dementsprechend den Tröpfchendurchmesser (Tröpfchenvolumen) zu reduzieren, ist es wichtig, die Fläche des oben erwähnten schattierten Bereiches zu reduzieren.
Es gibt circa zwei Möglichkeiten zur Reduktion des schattierten Bereichs. Eine verkleinert die Amplitude der Teilchengeschwindigkeit, wie in 27 gezeigt. Die andere verkürzt die Periode der Teilchengeschwindigkeitsschwingung, wie in 28 gezeigt. Das vorherige Verfahren, bei dem die Amplitude der Teilchengeschwindigkeit verkleinert wird, ist in tatsächlichen Anwendungen schwierig zu realisieren weil die Tröpfchengeschwindigkeit im Wesentlichen proportional zur mittleren Teilchengeschwindigkeit des schattierten Bereichs ist, und so nimmt die Fluggeschwindigkeit (Tröpfchengeschwindigkeit) des Tintentröpfchens deutlich ab, wenn die Amplitude der Teilchengeschwindigkeit verkleinert wird, was ein Problem in der Bildaufzeichnung aufwirft.
Um dementsprechend ein Ausstoßen von Kleinst-Tröpfchen durchzuführen, muss die inhärente Periode der Druckwelle, wie in 28 gezeigt, sehr verkleinert werden. Insbesondere um ein Tintentröpfchen mit einem Tröpfchendurchmesser von 15 μm bei einer Tropfengeschwindigkeit von 6 m/s auszustoßen, muss die inhärente Periode der Druckwelle auf die Größenordnung 3 bis 5 μs eingestellt werden.
Es war jedoch sehr schwierig, die inhärente Periode der Druckwelle auf so kleine Werte im herkömmlichen Tintenstrahlaufzeichnungskopf einzustellen aufgrund des Umstands, dass, um die inhärente Periode der Größenordnung 3 bis 5 μs zu erreichen, das Volumen der Druckkammer verkleinert werden muss und gleichzeitig die Steifigkeit der Wandung, die die Druckkammer bilden, sehr hoch sein muss wie später beschrieben wird. Diese Maßnahmen sind jedoch schwierig im herkömmlichen Druckkopfherstellungsverfahren zu realisieren, wo die Druckkammer durch Stapeln und Zusammenfügen perforierten Plattenmaterials aufgebaut ist.
Selbst wenn die oben erwähnten Bedingungen erfüllt werden, kann die Reduzierung der Grenzausstoßfrequenz der Tintentröpfchen nicht verhindert werden. Insbesondere wenn es nötig ist, das Volumen der Druckkammer zu verkleinern, um die inhärente Periode der Druckwelle zu verkürzen, muss eine bestimmte Fläche für die Aktoreinheit zum Anwenden von Verlagerungen durch den piezoelektrischen Aktor sichergestellt werden, was notwendigerweise in der Druckkammer mit einer flachen Form resultiert. Als Ergebnis erhöht sich deutlich der Durchlaufwiderstand der Druckkammer, was wiederum die Nachfüllzeit (die Zeit, um den Tintenmeniskus nach dem Ausstoßen zurückzubringen) verlängert und es dadurch schwierig macht, das Ausstoßen bei hohen Frequenzen zu wiederholen.
Wie oben erklärt, hat der herkömmliche Tintenstrahlaufzeichnungskopf den Nachteil, dass er ein Tintentröpfchen nicht mit einem derartigen Tröpfchendurchmesser auszustoßen kann, wie es für die deutliche Verbesserung der Bildqualität, und zwar einem kleinen Tintentröpfchen mit einem Tröpfchendurchmesser in der Größenordnung von 15 μm benötigt wird.
EP 0 864 425 A1 beschäftigt sich mit einer Kompensation von temperaturabhängigen Kerngrößen von Tintenstrahltinte, insbesondere um ein Abnehmen der Gesamtmenge an aus dem Tintenstrahldruckkopf ausgestoßener Tinte zu verhindern, d. h. eine Zunahme an ausgestoßener Tinte zu erreichen. Diese Entgegenhaltung lehrt, Zeitdauern während denen eine Druckerzeugungskam mer kontrahiert bzw. expandiert wird, konstant zu halten. Und darüber hinaus lehrt diese Entgegenhaltung die Zeitdauer zwischen der vorher genannten Zeitdauer zu einer Verringerung der Temperatur zu vergrößern. Als Ergebnis wird ein Zunahme an ausgestoßener Tinte erreicht.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Ansteuern eines Tintenstrahlaufzeichnungskopfes zu liefern, der ein Tintentröpfchen mit einem Tröpfchendurchmesser von 15 μm oder weniger auszustoßen kann ohne die Ausstoßeigenschaften im Hochfrequenzbereich negativ zu beeinflussen und ohne ein spezialisiertes Druckkopfherstellungsverfahren zu benötigen und um eine Tintenstrahlaufzeichnungsvorrichtung zu liefern, die ein derartiges Steuerverfahren verwendet.
Darüber hinaus ermöglicht die vorliegende Erfindung beides, hohe Qualität und Hochgeschwindigkeitsaufzeichnung durch Sicherstellen eines weiten Tröpfchendurchmesseranpassungsbereichs, wenn eine Graustufenaufzeichnung durch Nebenanpassung des Tröpfchendurchmessers des ausgestoßenen Tintentröpfchens in vielfachen Stufen durchgeführt wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Um diese Ziele zu erreichen, richtet sich die vorliegende Erfindung nach einem Verfahren zum Ansteuern eines Tintenstrahlaufzeichnungskopfes mit einer mit Tinte gefüllten Druckkammer, wobei die Druckkammer einen Tintenversorgungsanschluss zur Zufuhr der flüssigen Tinte und eine Tintendüse zum Ausstoßen der Tinte in Form von mindestens einem Tintentröpfchen umfasst und einem elektromechanischen Wandler, der so angeordnet ist, dass durch Anlegen einer Steuerspannung eine Druckwelle in der Druckkammer erzeugt wird, um das Tintentröpfchen über die Tintendüse auszustoßen, den Wandler mit einer inhärenten Schwingungsperiode Ta hat, wobei die Steuerspannung eine erste Steuerspannungswellenform umfasst, welche aufeinander folgend einen ersten Wellenformbereich mit einer ersten Zeitdauer t1 zum Kontrahieren eines Volumens der Druckkammer und einen zweiten Wellenformbereich mit einer zweiten Zeitdauer t2 zum Expandieren des Vo lumens der Druckkammer aufweist, wobei die ersten und zweiten Zeitdauern t1 und t2 gleich oder kürzer als die inhärente Schwingungsperiode Ta des elektromechanischen Wandlers festgelegt sind und ein Intervall t3 zwischen einer Startzeit des ersten Wellenformbereichs und der Startzeit des zweiten Wellenformbereichs Ta/2 <= t3 <= Ta erfüllt, wobei eine Spannungsänderungsgröße des ersten Wellenformbereichs kleiner als eine Spannungsänderungsgröße eines zweiten Wellenformbereichs ist.
Eine Tintenstrahlaufzeichnungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst: einen Tintenstrahlaufzeichnungskopf mit einer Druckkammer mit einem Tintenversorgungsanschluss zur Zufuhr einer flüssigen Tinte und eine Tintendüse zum Ausstoßen der Tinte als mindestens ein Tintentröpfchen, die mit flüssiger Tinte gefüllte Druckkammer, und einen elektromechanischer Wandler, der so angeordnet, dass durch Anlegen einer Steuerspannung eine Druckwelle in der Druckkammer erzeugt wird um das Tintentröpfchen über die Tintendüse auszustoßen, wobei der Wandler eine inhärente Schwingungsperiode Ta aufweist; und
eine Steuerwellenformerzeugungschaltung zum Erzeugen einer oder mehrerer Steuerwellenformen für die Steuerspannung, die an den elektromechanischen Wandler anzulegen ist, wobei:
die Steuerwellenform eine erste Steuerwellenform umfasst, welche aufeinander folgend einen ersten Wellenformbereich mit einer ersten Zeitdauer zum Komprimieren des Volumens der Druckkammer und einem zweiten Wellenformbereich zum Expandieren des Volumens der Druckkammer umfasst, wobei die ersten und zweiten Zeitdauern gleich oder kürzer als eine inhärente Schwingungsperiode Ta des elektromechanischen Wandlers festgelegt sind und ein Intervall t3 zwischen einer Startzeit des ersten Wellenformbereichs und der Startzeit des zweiten Wellenformbereichs Ta/2 <= t3 <= Ta erfüllt, wobei eine Spannungsänderungsgröße des ersten Wellenformbereichs kleiner als eine Spannungsänderungsgröße des zweiten Wellenformbereichs ist.
Gemäß des Verfahrens zum Ansteuern des Tintenstrahlaufzeichnungskopfes und der Tintenstrahlaufzeichnungsvorrichtung gemäß der Erfindung wird das elektromechanische Wandlerelement mit einer Steuerwellenform betätigt, die eine Anstiegszeit und eine Abfallzeit umfasst, welche kürzer sind als die inhärente Schwingungsperiode des elektromechanischen Wandlerelements, wodurch ein kleines Tintentröpfchen mit einem Durchmesser von 15 μm oder weniger aus der Tintendüse ausgestoßen werden kann und deshalb die Druckgenauigkeit verbessert werden kann.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein äquivalenter Schaltplan des Tintenstrahlaufzeichnungskopfes gemäß dem Prinzip der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt einen Teil der äquivalenten Schaltung von 1.
3 zeigt einen weiteren Teil der äquivalenten Schaltung von 1.
4 zeigt einen weiteren Teil der äquivalenten Schaltung von 1.
5 ist ein Diagramm, das die Steuerwellenform der Steuerspannung, die nicht Teil der Erfindung ist, mit einem Spannungsanstiegsbereich veranschaulicht.
6 ist ein Diagramm, das die Steuerwellenform der Steuerspannung, die nicht Teil der Erfindung ist, mit einem Spannungsanstiegsbereich und einem Spannungsabfallbereich veranschaulicht.
7 ist ein weiteres Diagramm, das die Steuerwellenform mit einem Spannungsanstiegsbereich und einem Spannungsabfallbereich für die Anwendung der Erfindung zeigt.
8 ist ein Graph, der die Tropfengeschwindigkeit beim Düsenbereich gegen die Zeit zeigt im Fall der Steuerwellenform von 5 mit einer größeren Abfallzeit als die inhärente Periode der Druckkammer.
9 ist ein Graph, der die Tropfengeschwindigkeit beim Düsenbereich gegen die Zeit zeigt im Fall der Steuerwellenform von 5 mit einer kleineren Anstiegszeit als die inhärente Periode der Druckkammer.
10 ist ein Graph, der die Tropfengeschwindigkeit beim Düsenbereich gegen die Zeit zeigt im Fall der Steuerwellenform 6.
11 ist ein Graph, der die Tropfengeschwindigkeit beim Düsenbereich gegen die Zeit zeigt im Fall der Steuerwellenform von 7.
12 ist ein Blockschaltdiagramm einer Konfiguration der Steuerschaltung für den piezoelektrischen Aktor.
13 ist ein Blockschaltdiagramm einer anderen Konfiguration der Steuerschaltung für den piezoelektrischen Aktor.
14 ist ein exemplarisches Diagramm der Steuerwellenform, die im Verfahren zum Steuern des Tintenstrahlaufzeichnungskopfes entsprechend einer Ausführung der Erfindung benutzt wird.
15 ist ein Graph, der die Tropfengeschwindigkeit beim Düsenbereich zeigt, die durch die Steuerwellenform von 14 ausgelöst wird.
16 ist ein Graph, der das Verhältnis zwischen der Druckanstiegszeit und dem Tröpfchendurchmesser zeigt.
17 ist ein weiteres beispielhaftes Diagramm der Steuerwellenform, die für das Steuerverfahren des Tintenstrahlaufzeichnungskopfes gemäß einer Ausführung der Erfindung zu verwenden ist.
18 ist ein Graph, der die Tropfengeschwindigkeit einhergehend mit der Zeit im Fall der Steuerspannung von 17 zeigt.
19 ist ein Diagramm, das eine Steuerwellenform zeigt, die beim Verfahren zum Ansteuern des Tintenstrahlaufzeichnungskopfes in einer anderen Ausführung der Erfindung, welche ein kleines Tintentröpfchen gemäß einer anderen Ausführung der Erfindung erzeugt, zu verwenden ist.
20 ist ein Diagramm, das eine weitere Steuerwellenform zeigt, die für das Verfahren zum Ansteuern, des Tintenstrahlaufzeichnungskopfes verwendet wird, welches nicht Teil der Erfindung ist.
21 ist ein Diagramm, das eine Steuerwellenform zeigt die für das Verfahren zum Ansteuern des Tintenstrahlaufzeichnungskopfes benutzt wird, welche nicht Teil der Erfindung ist.
22 bis 28 sind schon in Verbindung dem Stand der Technik beschrieben worden und dienen dazu, ein tieferes Verständnis der Erfindung zu ermöglichen.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGEN DER ERFINDUNG
Vor Beschreibung der bevorzugten Ausführungen der vorliegenden Erfindung wird ihr Prinzip basierend auf dem Ergebnis einer theoretischen Analyse des Tintenstrahlaufzeichnungskopfes durch Bezug auf eine Schaltung aus konzentriert konstanten Elementen beschrieben.
1 zeigt einen Schaltplan des allgemeinen Tintenstrahlaufzeichnungskopfes, der durch eine äquivalente elektrische Schaltung ersetzt ist. In der Figur bezeichnet das Bezugszeichen m eine Trägheit [kg/m⁴], Bezugszeichen r bezeichnet einen akustischen Widerstand [Ns/m⁵], Bezugszeichen c bezeichnet eine akustische Kapazität [m⁵/N] und Bezugszeichen u bezeichnet eine Volumengeschwindigkeit [m³/s], und Bezugszeichen ϕ bezeichnet einen Druck [Pa]. Indizes [0], [1], [2] und [3] bezeichnen die Aktoreinheit, Druck, Tintenversorgungsweg bzw. Düse.
Beim herkömmlichen Tintenstrahlaufzeichnungskopf der Schaltung von 1 kann angenommen werden, dass er aus drei Schaltungen, die in 2-4 gezeigt wurden, besteht, wenn ein piezoelektrischer Aktor, der in einer longitudinalen Schwingungsmode arbeitet, benutzt wird. 2 zeigt eine Schaltung, die die Aktoreinheit mit einem piezoelektrischen Aktor und einer Schwingungsplatte betrifft. Seine inhärente Periode Ta kann ausgedrückt werden durch die Gleichung:
Die inhärente Periode Ta der Schaltung von 2 kann als eine inhärente Periode eines Stabes betrachtet werden, der ein fest eingespanntes Ende und ein longitudinal schwingendes freies Ende hat und kann näherungsweise durch die Gleichung bestimmt werden:
wobei L die Länge des piezoelektrischen Aktors ist, ρ_P und E_p Dichte bzw. Elastizitätskoeffizient des piezoelektrischen Aktormaterials sind. Ta ist beim herkömmlichen Tintenstrahlaufzeichnungskopf in der Größenordnung von 1–5 μs.
Die Teilschaltung von 3 umfasst eine Druckkammer, die durch ihre akustische Kapazität c1 referenziert ist. Die durch die inhärente Schwingungsmode in der Druckkammer erzeugte Druckwelle ist durch die Schaltung von 3 definiert. Beim herkömmlichen Tintenstrahlaufzeichnungskopf wird das Ausstoßen des Tintentröpfchens nämlich durch die von dieser Schaltung definierten Druckwelle ausgeführt. Eine inhärente Periode Tc der Schaltung von 3 wird definiert durch die Gleichung:
Tc ist beim herkömmlichen Tintenstrahlaufzeichnungskopf in der Größenordnung von 10–20 μs.
Die akustische Kapazität c1 der Druckkammer wird durch die Gleichung:
ausgedrückt, wobei W₁ [m³] das Volumen der Druckkammer ist, κ [Pa] der Volumenkoeffizient der Elastizität der Tinte und K₁ eine Konstante ist, die von der Steifigkeit der Druckkammerwandung abhängt.
Um die inhärente Periode Tc zu verringern, ist es wünschenswert, das Volumen W₁ der zu verkleinern und die Steifigkeit der Druckkammerwandung zu erhöhen (K₁ zu vergrößern).
Die Schaltung von 4 ist eine Schaltung, welche mittels der akustische Kapazität c3 durch die Oberflächenspannung des Tintenmeniskus beeinflusst wird und bezieht sich auf die Nachfülleigenschaft. Eine inhärente Periode Tm der Schaltung von 1 wird ausgedrückt durch die folgende Gleichung:
Tm ist beim herkömmlichen Tintenstrahlaufzeichnungskopf in der Größenordnung von 20–50 μs.
Bei den Schaltungen von 2–4 verwendet die vorliegende Erfindung die Eigenschaften der Schaltungen von 2 und 3. Insbesondere während der herkömmliche Tintenstrahlaufzeichnungskopf die Eigenschaften der Schaltung von 3 zum Ausstoßen der Tintentröpfchen nutzt, verwendet die vorliegende Erfindung die inhärente Schwingung der Aktoreinheit (piezoelektrischer Aktor) an sich für das Ausstoßen der Tintentröpfchen.
5 zeigt ein Beispiel eines Druckes (Druckwelle) ϕ innerhalb der in 22 gezeigten Druckkammer im Verhältnis zur Steuerspannung. 8 und 9 zeigen jeweils eine Tröpfchengeschwindigkeit v3 (Teilchengeschwindigkeit) bei der Öffnung der Düse bezogen auf die Druckwelle von 5. Die Teilchengeschwindigkeit v3 ist gleich dem Quotienten, wenn eine Volumengeschwindigkeit u3 durch die Öffnungsfläche der Düse geteilt wird.
8 zeigt die Teilchengeschwindigkeit im Tintenstrahlaufzeichnungskopf, wenn eine Anstiegszeit t1 des Druckes ϕ größer eingestellt ist als die inhärente Periode Ta der Schaltung, die im Verfahren zum Ansteuern des herkömmlichen Tintenstrahlaufzeichnungskopfs verwendet wird. Die Teilchengeschwindigkeit v3 schwingt bei einer inhärenten Periode Tc. Somit wird die Teilchengeschwindigkeit v3 im herkömmlichen Tintenstrahlaufzeichnungskopf nur durch die Schaltung in 3 definiert.
9 zeigt die Teilchengeschwindigkeit v3 des Tintenstrahlaufzeichnungskopfes, wenn die Anstiegszeit t1 des Druckes ϕ gemäß dem Prinzip der vorliegenden Erfindung gleich oder kleiner als die inhärente Periode Ta der Aktoreinheit eingestellt ist. In diesem Fall wird die inhärente Schwingung der Aktoreinheit von 2 erregt und als Ergebnis stimmt die Schwingung der Teilchengeschwindigkeit v3 mit der Schwingung der inhärenten Periode Tc überein, die mit der Schwingung der inhärenten Periode Ta überlagert ist. In anderen Worten durch Einstellen der Anstiegszeit des Druckes ϕ gleich oder kleiner als die inhärente Periode Ta kann der Tintenmeniskus an sich mit der inhärenten Periode des piezoelektrischen Aktors zum schwingen gebracht werden.
In Bezug auf 6 wird ein Fall gezeigt, bei dem die in der Druckkammer erzeugte Druckwelle trapezförmig ist. In der Figur sind Anstiegszeit t1 und Abfallzeit t2 beide gleich oder kleiner als die inhärente Periode Ta der Schaltung und die Zeitdifferenz (t3) zwischen der Startzeit des Spannungsanstiegs und der Startzeit des Spannungsabfalls gesetzt, so dass Ta/2 ≤ t3 ≤ Ta. Da die Druckwelle von 6 in der Druckkammer erzeugt wird, variiert die Teilchengeschwindigkeit v3 des Tintenmeniskus wie in 10 gezeigt. In diesem Fall wird der piezoelektrische Aktor deutlich durch einen Spannungsanstiegsbereich 141A von 6 verlängert und ein Spannungsabfall 142A wird angelegt zum Kontrahieren des piezoelektrischen Aktors synchron mit dem Zeitablauf des Kontrahierens des verlängerten pie zoelektrischen Aktors durch seine eigene inhärente Schwingung. Der piezoelektrische Aktor wird als Ergebnis deutlich kontrahiert und die Teilchengeschwindigkeit v3 kehrt in einem sehr schnellen Zeitablauf auf die Stelle von 10, bei der v3 = 0. Die Fläche des schattierten Bereichs, der dem anfänglich positiven Halbzyklus der Teilchengeschwindigkeit entspricht, wird kleiner als der schattierte Bereich von 9, so dass eine günstige Bedingung zum Ausstoßen eines kleinen Tröpfchens erreicht werden kann.
Wenn der Druck ϕ trapezförmig gemacht wird wie in 6 gezeigt, wird der anfänglich positive Halbzyklus der Teilchengeschwindigkeit von 10 eine Vielzahl an Kämmen enthalten, wie in 10 gezeigt. In diesem Fall kann sich die Fläche des schattierten Bereichs vergrößern, d. h. der Durchmesser des Tintentröpfchens kann sich vergrößern, was in der Erzeugung von Anhängetröpfchen resultiert und gleichzeitig einem instabilen Ausstoßen resultieren kann.
Um ein solches Szenario zu verhindern, ist es bevorzugbar, eine Variation des Druckes ϕ, wie in 7 gezeigt, zu haben. Die Druckwelle von 7 umfasst einen schattierten Bereich, der durch eine einzige Maximalstelle gebildet wird, wie in 11 eingestellt indem die Druckabfallgröße 142B größer als die Druckanstiegsgröße 141B eingestellt wird. Die einzelne Maximalstelle erlaubt eine Reduktion der Fläche des schattierten Bereichs, was dadurch ein stabileres Ausstoßen von Tinte erlaubt.
Wie oben erklärt, kann die inhärente Periode der Tintenmeniskusschwingung stark durch die Anstiegs-/Abfallzeit der Steuerwellenform gleich oder kleiner als die inhärente Periode Pa des piezoelektrischen Aktors und gleichzeitig durch Einstellen einer Zeitdifferenz t3 zwischen der Anstiegs- und Abfallstartzeit, so dass Ta/2 ≤ t3 ≤ Ta reduziert werden. Auf diese Weise kann die Fläche des schattierten Bereichs reduziert werden, wie in 10 und 11 gezeigt, wodurch es möglich wird, ein kleineres Tröpfchen auszustoßen als gemäß der herkömmlichen Steuerverfahren. Ferner kann durch Einstellen der Spannungsänderungsgröße des Abfallbereiches größer als die Spannungsänderungsgröße des Anstiegbereiches ein noch kleineres Tintentröpfchen ausgestoßen werden.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung durch bevorzugte Ausführungen beschrieben. Das Prinzip der Erfindung wurde auf ein Muster des Tintenstrahlaufzeichnungskopfes mit dem grundlegenden Aufbau von 22 angewendet.
Das Muster des Tintenstrahlaufzeichnungskopfes wurde durch Stapeln und Verbinden einer Vielzahl von dünnen perforierten Platten durch Ätzen und ähnliches hergestellt. In der vorliegenden Ausführung wurden rostfreie Platten mit einer Dicke von 50–75 μm mittels einer Haftschicht (ca. 20 μm Dicke) verbunden, welche ein duroplastisches Harz umfasst. Sein Kopf umfasst eine Vielzahl an Druckkammern 61, die in einer senkrechten Richtung zum Blatt von 22 angeordnet sind. Die Druckkammern 61 sind durch eine gemeinsame Tintenkammer 63 verbunden. Die gemeinsame Tintenkammer 63 ist zu einem Tintenbehälter (nicht gezeigt) verbunden und leitet Tinte in die entsprechenden Druckkammern 61.
Jede der Druckkammern 61 ist zur gemeinsamen Tintenkammer 63 über einen Tintenversorgungsweg 64 verbunden und die Druckkammer 61 ist mit Tinte gefüllt. Jede der Druckkammern 61 ist auch mit einer Düse 62 zum Ausstoßen von Tinte ausgestattet.
In der vorliegenden Ausführung haben die Düse 62 und der Tintenversorgungsweg 64 eine identische Form mit einem Öffnungsdurchmesser von 30 μm, einem einfassenden Durchmesser von 65 μm und einer Länge von 75 μm, damit sich eine verengende Form bildet. Die Perforation wurde durch eine Presse vorgegeben.
Die Bodenoberfläche der Druckkammer 61 umfasst eine Schwingungsplatte 65 und das Volumen der Druckkammer kann durch einen piezoelektrischen Aktor (piezoelektrischer Schwinger) 66 vergrößert oder verringert werden, da der elektromechanische Wandler außen an der Druckkammer 61 befestigt ist. In der vorliegenden Ausführungsform wird eine durch Galvanoformung gebildete nickelbeschichtete Platte für die Schwingungsplatte 65 verwendet.
Der piezoelektrische Aktor 66 war eine geschichtete piezoelektrische Keramik. Die Form der Steuersäule für die Anwendung von Verlagerungen auf die Druckkammer 61 ist 1,1 mm lang (L), 1,8 mm breit (W) und 120 μm tief (entlang der Senkrechten zum Blatt von 22). Das piezoelektrische Ma terial hatte eine Dichte ρ_p von 8,0 × 10³ kg/m³, und einen Elastizitätskoeffizienten E_p von 68 GPa. Die gemessen inhärente Periode Ta des piezoelektrischen Aktors an sich betrug 1,6 μs.
Da das Volumen der Druckkammer 61 durch den piezoelektrischen Aktor 66 variiert wird, wird eine Druckwelle in dieser erzeugt. Die Druckwelle bewegt die Tinte des Düsenbereichs 62, wodurch sich ein Tintentröpfchen 67 bildet. In der vorliegenden Erfindung beträgt die inhärente Periode Tc des Kopfes 14 μs.
Als Nächstes wird die grundlegende Anordnung der Steuerschaltung zum Ansteuern des piezoelektrischen Aktors in Bezug auf 12 und 13 beschrieben.
12 zeigt ein Beispiel der Anordnung der Steuerschaltung im Fall, dass der Durchmesser des ausgestoßenen Tintentröpfchens fest ist, d. h. es gibt keine Tintendurchmesseranpassung. Die in 12 gezeigte Steuerschaltung weist eine Wellenformerzeugungsschaltung 121, eine Verstärkerschaltung 122 und eine Schaltschaltung (Transfer-Gate Schaltung) 123 zum Ansteuern eines piezoelektrischen Aktors 124. Ein Steuerwellenformsignal wird erzeugt und leistungsverstärkt und dann an den piezoelektrischen Aktor zum Ansteuern desselben geliefert, so dass Zeichen und Bilder auf ein Blatt oder Aufzeichnungspapier gedruckt werden. Die Wellenformerzeugungsschaltung 121 besteht aus einer digital-analog Wandlerschaltung und einer integrierten Schaltung. Sie setzt die Ansteuerwellenformdaten analog um und fügt dann die Daten ein, um ein Steuerwellenformsignal zu erzeugen. Die Verstärkerschaltung 122 Strom- und Spannungs-verstärkt das Steuerwellensignal, das von der Wellenformerzeugungsschaltung 121 geliefert wird und gibt das Signal als ein verstärktes Steuerwellensignal aus. Die Schaltschaltung 123 steuert das An-Aus der Tintentröpfchenausstoßung durch Anwenden des Steuerwellensignals auf den piezoelektrischen Aktor 124 auf Basis eines von den Bilddaten erzeugten Signals.
13 zeigt ein Beispiel der Anordnung der Steuerschaltung für den Fall, dass der Durchmesser des ausgestoßenen Tintentröpfchens in mehreren Stufen geschaltet wird, d. h. eine Tintendurchmesseranpassung wird durchgeführt. Die Steuerschaltung von 13 umfasst drei Arten von Wellenformerzeugungsschaltungen 131, 131A bzw. 131B zum Anpassen des Tröpfchen durchmessers in drei Stufen (groß, mittel bzw. klein) und die individuellen Wellenformen werden von den Verstärkerschaltungen 132, 132A bzw. 132B verstärkt. Während des Aufzeichnens wird die auf den piezoelektrischen Aktor 134 angewendete Steuerwellenform durch die Schaltschaltung 133 geschaltet, so dass ein Tintentröpfchen des gewünschten Durchmessers ausgestoßen werden kann.
Es sollte angemerkt werden, dass die Anordnung der Steuerschaltung zum Ansteuern des piezoelektrischen Aktors nicht auf die von 12 oder 13 oder anderen möglicherweise benutzte Anordnung beschränkt ist.
14 zeigt ein Beispiel einer durch die Steuerschaltung von 19 erzeugten Steuerwellenform zur Bildung eines Tintentröpfchens mit einem Durchmesser von ca. 20 μm durch Verwenden der Tintenstrahlaufzeichnungsvorrichtung gemäß der Ausführung der Erfindung. Die Steuerwellenform umfasst eine Anstiegszeit t1 (0,5 μs) die kürzer ist als die inhärente Periode Ta (1,6 μs) und einen ersten Anstiegsbereich 11, der von einer Startspannung Vb (6 Volt) auf V2 (20 Volt) zum Kontrahieren der Druckkammer zunimmt. Die Wellenform weist des weiteren einen ersten Abfallbereich 12 auf, der eine t3 Zeit nach der Startzeit des ersten Anstiegsbereiches beginnt, der eine Abfallzeit t2 (0,5 μs) umfasst, die kürzer ist als die inhärente Periode Ta und von V2 bis Null Volt abfällt. Der Abfallbereich 12 expandiert die Druckkammer. Darüber hinaus umfasst die Wellenform einen zweiten Anstiegsbereich 13, der eine t4 (14 μs) nach dem Ende des Abfallbereiches 12 beginnt und eine Anstiegszeit t5 (30 μs) zum Zurückkehren von Null Volt zur Startspannung Vb hat. Durch diese Anordnung erfüllt t3 Ta ≤ t3 ≤ Ta.
15 zeigt das Ergebnis der Beobachtung der Bewegung des Tintenmeniskus durch eine Laser-Doppler-Messgerät, wenn die Steuerwellenform von 14 angewendet wurde. Um die Bewegung des Tintenmeniskus exakt zu messen, wurde während der Beobachtung die Anwendungsspannung auf 1/15 reduziert und die Ergebnisse von 15 zeigen Werte, die durch Multiplizieren der gemessenen Teilchengeschwindigkeit mit dem Faktor 15 angesichts des Umstandes, dass die Teilchengeschwindigkeit v3 proportional zur angewendeten Spannung ist erreicht wurden.
In 15 schwingt der Tintenmeniskus, wo sich die Schwingung der inhärenten Periode Ta und die Schwingung der inhärenten Periode Tc überlagern. Da der piezoelektrische Aktor bei der Einstellung von t3 = 1 μs kontrahiert wird, kehrt der maximale Startpunkt zum Zeitpunkt zurück, wo v3 = 0 bei einem sehr frühen Zeitpunkt von t = 2 μs. Somit ist die Fläche des schattierten Bereiches des Starthalbzyklus sehr klein, was vorteilhaft ist für das Ausstoßen eines kleinen Tröpfchens.
Als ein Ausstoßexperiment durch Verwenden eines Musterkopfs mit der Steuerwellenform von 14 tatsächlich durchgeführt wurde, wurde beobachtet, dass ein Tintentröpfchen mit einem Durchmesser von 21 μm bei einer Tropfengeschwindigkeit von 5,5 m/s ausgestoßen wurde. Als das Experiment durch Verwenden einer Steuerwellenform bei der t1 = t2 = t3 = 2 μs > Ta wie bei den herkömmlichen Steuerverfahren durchgeführt wurde, war der minimale Durchmesser des kleinsten Tröpfchens, das ausgestoßen werden konnte, 28 μm.
16 zeigt die Ergebnisse der Überwachung der Änderungen im Tröpfchendurchmesser, während die Anstiegszeit t1 variiert wurde, wobei die Abfallzeit t2 so gesetzt war, dass t2 = t1 und die Zeit t3 so gesetzt war, dass t3 = 1 μs, wenn t1 ≤ 1 μs und t3 = t1 wenn t1 > 1 μs. Die angewendeten Spannungen V1 und V2 wurden unter Berücksichtigung der jeweiligen t1 eingestellt, so dass die Tropfengeschwindigkeit 6 m/s betrug.
In 16 ist eine starke Änderung des Tröpfchendurchmessers bei ungefähr t1 = Ta ersichtlich, wo es offensichtlich eine Änderung des Ausstoßmechanismus gibt. In anderen Worten während im Bereich, wo t1 > Ta das Ausstoßen aufgrund der Schwingung des Tintenmeniskus mit der inhärenten Periode Tc auftritt, tritt das Ausstoßen aufgrund der Schwingung des Tintenmeniskus mit der inhärenten Periode Ta im Bereich auf, wo t1 ≤ Ta. Wie aus 16 ersichtlich wird, kann der Tröpfchendurchmesser durch das Steuerverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung deutlicher reduziert werden als mit dem herkömmlichen.
17 zeigt ein Beispiel der Ansteuerwellenform, die zum Ausstoßen eines kleinen Tröpfchens mit einem Tröpfchendurchmesser von 15 μm oder weniger in obig erwähntem Tintenstrahlaufzeichnungskopf verwendet wird. Die Steuerwellenform von 17 umfasst einen Spannungsabfall 33 zur Menis kus-Steuerung vor einem Spannungsanstieg 31. Somit verwendet die Steuerwellenform von 17 ein Steuerverfahren, das den Ausstoßmechanismus basierend auf der inhärenten Schwingung des piezoelektrischen Aktors an sich mit der Meniskus-Steuersystem verbindet. Dementsprechend ist es möglich, ein Tintentröpfchen mit einem noch schmaleren Tröpfchendurchmesser auszustoßen als im Fall der Verwendung der Steuerwellenform von 14.
Die Steuerwellenform von 17 umfasst einen ersten Abfallbereich 33 mit einer Abfallzeit (t6 = 3 μs), der größer ist als die inhärente Periode Ta und kleiner als die inhärente Periode Tc zum Abfallen von einer Startspannung Vb (40 Volt) auf V3 (18 Volt). Der erste Abfallbereich 33 tritt eine Zeit t7 (4 μs) früher auf als ein erster Spannungsanstieg 31, welcher die Spannung um V1 anhebt. Eine derartige Steuerwellenform ermöglicht die Kombination des Steuerverfahrens basierend auf der inhärenten Schwingung des piezoelektrischen Aktors an sich mit dem Meniskus-Steuerverfahren.
Insbesondere umfasst der erste Abfallbereich 33 eine Abfallzeit t6 (3 μs), die größer ist als die inhärente Periode Ta und kleiner als die inhärente Periode Tc und die Druckkammer expandiert. Der erste Anstiegsbereich 31 umfasst einen Spannungsanstieg V1 zum Kontrahieren der Druckkammer und eine kürzere Anstiegszeit t1 (0,5 μs) als die inhärente Periode Ta. Der zweite Abfallbereich 32 beginnt eine Zeit t3 (1 μs) nach dem Beginn des ersten Anstiegsbereichs 31, umfasst eine Abfallzeit t2 (0,5 μs) und expandiert die Druckkammer mit einer Spannungsänderungsgröße von V2 (36 Volt) um die Spannung auf Null zu bringen. Der zweite Anstiegsbereich 34 stellt die Spannung von Null zurück auf die Startspannung Vb her und umfasst eine Anstiegszeit (30 μs).
18 zeigt die Ergebnisse der Beobachtung des Tintenmeniskus mit einem Laser-Doppler-Messgerät, wenn die Steuerwellenform von 17 angewendet wurde. Während der Beobachtung wurde die angewendete Spannung auf 1/15 verringert und die Ergebnisse von 18 zeigen die Werte an, die durch Multiplizieren der tatsächlich gemessenen Teilchengeschwindigkeit mit einem Faktor von 15 erreicht wurden.
Wie in 18 gezeigt, wird, wenn die Steuerwellenform von 17 auf den piezoelektrischen Aktor angewendet wird, zunächst eine negative Teil chengeschwindigkeit durch den Spannungsabfall 33 erzeugt, wobei der Tintenmeniskus in die Druckkammer gesogen wird, was in einer konkav gewölbten Tinte resultiert. Wenn ein erster Spannungsänderungsprozess 31 angewendet wird, wird v3 > 0 und der Tintenmeniskus zur Außenseite der Düse verschoben. Da der Tintenmeniskus vorher konkav war, bildet sich eine dünne Flüssigkeitssäule in der Mitte der Düse. Entsprechend den Ergebnissen der Beobachtung des Zustandes des Tröpfchenausstoßens (Abtastüberwachung) hatte die so gebildete Flüssigkeitssäule eine Dicke von ca. 15 μm (etwa ein halber Düsendurchmesser).
Nach der Bildung der Flüssigkeitssäule wird der zweite Anstiegsbereich 32 bei einer Zeitvorgabe von Ta/2 ≤ t3 ≤ Ta angewendet, wodurch die Druckkammer schnell kontrahiert wird und frühzeitig zu v3 = 0 zurückkehrt. Demzufolge wird die Fläche des schattierten Bereichs von 18 sehr klein und resultiert in einer Wellenform, die vorteilhaft für das Ausstoßen eines kleinen Tröpfchens ist.
Als ein Ausstoßexperiment mit der Steuerwellenform von 17 durchgeführt wurde, wurde beobachtet, dass ein Tintentröpfchen mit einem Tröpfchendurchmesser von 14 μm bei einer Tröpfchengeschwindigkeit von 6 m/s ausgestoßen wurde. Der Grund, dass sich der Tröpfchendurchmesser weiter verkleinert als mit der Steuerwellenform von 14 erzielt, ist, dass das Meniskus-Steuerverfahren in Kombination benutzt wurde. Das heißt, es kann angenommen werden, dass der Einsatz der Meniskus-Steuerung in einem Effekt resultiert, der äquivalent zur Reduktion des Düsendurchmessers ist. Als das Experiment zum Vergleich mit einer Steuerwellenform durchgeführt wurde, bei der t1 = t2 = t3 = 2 μs > Ta wie bei der herkömmlichen Steuerwellenform war, war der minimale Durchmesser des kleinsten Tröpfchen, das ausgestoßen werden konnte, 21 μm.
Der Zweck des Einstellens der Steuerwellenform von 17 auf Ta < t6 ≤ Tc ist dazu gedacht, eine stabile Steuerung der Tintenmeniskusform zu bewirken. Wenn die Einstellung t6 ≤ Ta beträgt, wird die Schwingung der inhärenten Periode Ta selbst während des Zeitintervalls von t ≤ t6 + t7 auftreten die so Probleme hervorruft, wie z. B. eine Problematik einer genauen Steuerung der Tintenmeniskusform oder ein Auftreten unerwünschten Ausstoßens. Wenn die Einstellung t6 > Tc beträgt, wird die Änderung der Teilchengeschwindigkeit v3 während des Zeitintervalls t ≤ t6 + t7 in gleicher Weise kompliziert sein. Dadurch wird es auch schwieriger, die Tintenmeniskusform genau zu steuern. Insbesondere im Fall eines Mehrdüsenkopfes neigt eine große Kenngrößenschwankung aufzutreten.
Dementsprechend ist es erwünscht, dass die Zeitspanne t6 innerhalb des Bereiches Ta < t6 ≤ Tc liegt, bei dem keine Schwingung der inhärenten Periode Ta des Zeitintervalls t ≤ t6 + t7 auftritt. Somit ist es möglich, die Tintenmeniskusform in einer stabileren Weise zu steuern. Im Falle eines Einzeldüsenkopfes oder Einzeldüsenköpfen, wo eine hohe Gleichförmigkeit zwischen den Düsen sichergestellt werden kann, kann die Wellenform auf t6 ≤ Ta oder t6 > Tc eingestellt werden.
19–21 zeigen abgeleitete Wellenformen, die für die Anpassung der ausgestoßenen Tintentröpfchen in drei Größen von klein, mittel und große Tropfen im oben beschriebenen Tintenaufzeichnungskopf verwendet werden. Die Klein-Tropfenwellenform von 19 ist formgleich zur Steuerwellenform von 17. Die Mittel- und Groß-Tropfenwellenformen, die in 20 bzw. 21 gezeigt werden, umfassen eine Anstiegszeit (t11, t12), die größer als die inhärente Periode Ta der Schaltung und für die Anwendung mit einem Steuerverfahren eingestellt ist, welches nicht die Anregung der inhärenten Schwingung des piezoelektrischen Aktors umfasst.
Die Mittel-Tropfensteuerungswellenform von 20 umfasst einen ersten Abfallbereich 53A mit einer Abfallzeit t61 (3 μs) für den Abfall von der Startspannung auf eine Spannungsabfallgröße V3A, wodurch der Tintenmeniskus so gebildet ist, dass er kurz vor dem Ausstoßen eine konkave Form annimmt. Nach einer ersten Haltezeit t71 (4 μs) wird die Druckkammer durch einen Spannungsanstieg 51A, der eine Anstiegszeit t11 (3 μs) umfasst, die größer ist als die inhärente Periode Ta gefolgt von einer zweiten Haltezeit 13 μs (t31 – t11), die größer ist als die inhärente Periode Ta komprimiert. Danach kehrt die Wellenform zurück auf die Startspannung Vb (40 V) durch einen zweiten Abfallbereich 52A mit einer Abfallzeit t21 (30 μs).
Im Fall der Groß-Tropfen-Steuerwellenform von 21 wird die Druckkammer durch einen Spannungsanstieg 51B mit einer Anstiegszeit t12 (10 μs), die der Startspannung folgt, komprimiert und anschließend kehrt die Spannung langsam zurück auf die Startspannung mittels eines Spannungsabfalls 52B mit einer Abfallzeit t22 (30 μs), wodurch das Volumen der Druckkammer expandiert wird. Die Steuerwellenform von 21 umfasst nicht das Ansaugen des Tintenmeniskus kurz vor dem Ausstoßen.
In Bezug auf 13 werden die Steuerwellenformen der Klein-, Mittel- bzw. Groß-Tropfen durch individuelle Wellenformerzeugungsschaltungen (131, 131A, 131B) erzeugt. Durch Schalten der Wellenformen, die auf den piezoelektrischen Aktor 134 basierend auf den Bilddaten anzuwenden sind, wurde eine Graustufenaufzeichnung durchgeführt.
Durch die Anwendung der Steuerwellenformen von 19–21 war es möglich, einen Klein-Tropfen mit einem Tröpfchendurchmesser von 14 μm bei einer Tröpfchengeschwindigkeit von 6 m/s, einen Mittel-Tropfen mit einem Tröpfchendurchmesser von 28 μm bei einer Tröpfchengeschwindigkeit von 6,2 m/s und einen Groß-Tropfen mit einem Tröpfchendurchmesser von 41 μm bei einer Tröpfchengeschwindigkeit von 7 m/s in jedem Fall mit einer Steuerfrequenz von 10 kHz auszustoßen. Somit war es möglich, einen weiteren Tröpfchendurchmesseranpassungsbereich von 14–41 μm als im Stand der Technik zu realisieren, während eine hohe Steuerfrequenz eingehalten wird.
Es sollte beachtet werden, dass die Steuerwellenformen der Groß- und Mittel-Tropfen nicht auf die in den obigen Ausführungsformen gezeigten Wellenformen beschränkt sind und andere Wellenformen verwenden können. Zum Beispiel kann auch im Falle der Groß-Tropfen-Steuerwellenform die Ausstoßstabilität durch mit Einbeziehen eines Spannungsänderungsprozesses zum Herstellen einer leicht konkaven Form des Tintenmeniskus kurz vor dem Ausstoßen verbessert werden.
Während bei den obigen Ausführungen die Anzahl der Tropfendurchmesseranpassungsstufen drei betrug, bestehend aus groß, mittel und klein, kann die Anzahl ebenso mehr oder weniger als 3 sein und die vorliegende Erfindung kann dennoch realisiert werden.
Darüber hinaus kann wie oben erwähnt, durch Verwenden des Ausstoßprinzips basierend auf der inhärenten Schwingung des piezoelektrischen Aktors gemäß der vorliegenden Erfindung zum Ausstoßen eines kleinen Tröpfchens aus einem Tintenstrahlaufzeichnungskopf, der die Tröpfchendurchmesseranpassung durchführt und durch Anwenden der Druckwelle unter der Steuerung ei ner akustischen Kapazität c1 der Druckkammer zum Ausstoßen eines Groß-Durchmessertropfens gemäß des herkömmlichen Tintenstrahlaufzeichnungskopfes ein sehr weiter Tropfendurchmesseranpassungsbereich erreicht werden, der es dadurch ermöglicht, gleichzeitig Qualitäts- und Hochgeschwindigkeitsaufzeichnen zu realisieren.
Obwohl die Erfindung oben durch bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, sollen diese nicht als beschränkend für die vorliegende Erfindung angesehen werden. Zum Beispiel während in der obigen Ausführungsform t1 < t3 und es den Spannungshaltebereich (flachen Bereich) zwischen dem ersten und zweiten Spannungsänderungsprozess gab, kann es sein, dass t1 = t3, d. h. die Steuerwellenform kann keinen konstanten Spannungsbereich umfassen.
Obwohl die Steuerwellenform der Ausführungsformen keine obligatorische Unterdrückung der Nachschwingungen nach dem Ausstoßen des Tintentröpfchens aufweist, kann ein solcher Nachschwingungsunterdrückungsprozess wie in 24 gezeigt, eingebunden werden.
In den obigen Ausführungsformen wurde die inhärente Periode Ta des piezoelektrischen Aktors (Aktoreinheit) an sich auf 1,6 μs eingestellt, sie kann jedoch auf andere Werte gesetzt werden. Es ist jedoch erwünscht, die inhärente Periode Ta auf 5 μm oder weniger einzustellen, wenn ein kleines Tintentröpfchen mit einem Tröpfchendurchmesser in der Größenordnung von 15 μm ausgestoßen werden soll.
Obwohl die Bias-Spannung (Startspannung) Vb gesetzt wurde, so dass die Anwendungsspannung auf den piezoelektrischen Aktor in den Ausführungsformen zu allen Zeiten positiv war, kann die Bias-Spannung Vb darüber hinaus auf andere Spannungen eingestellt werden zum Beispiel Null V, wird eine negative Spannung geliefert, kann diese ohne Probleme an den piezoelektrischen Aktor angelegt werden.
Obwohl der piezoelektrische Aktor bei den Ausführungen eine longitudinale Schwingungsmode umfasst, mit einer piezoelektrische Konstante d33 können andere Aktortypen benutzt werden, zum Beispiel ein Aktor mit einer longitudinalen Schwingungsmode und einer piezoelektrischen Konstante d31. In den Ausführungen wurde der piezoelektrische Aktor vom Stapeltyp benutzt, aber die gleichen Vorteile können mit einem piezoelektrischen Aktor vom Einzelplattentyp erreicht werden. Wenn die inhärente Periode Ta klein genug gesetzt werden kann, ist es auch möglich eine Auslenkschwingungsmode des piezoelektrischen Aktors zu verwenden.
Obwohl die Ausführungen einen derartigen Kaiser-Typ Tintenstrahlaufzeichnungskopf wie in 22 gezeigt, einsetzen, kann die vorliegende Erfindung auch in anderen Tintenstrahlaufzeichnungsköpfen mit verschiedenen Anordnungen angewendet werden, wie zum Beispiel ein Aufzeichnungskopf, der mit einer Nut im piezoelektrischen Aktor als die Druckkammer ausgestattet ist. Darüber hinaus kann die Erfindung in Tintenstrahlaufzeichnungsköpfen angewendet werden, die andere Typen elektromechanischer Wandler als den piezoelektrischen Aktor verwenden wie zum Beispiel Aktoren, die elektrostatische oder magnetische Kraft nutzen.
Somit ist es gemäß des Verfahrens zum Ansteuern des Tintenstrahlaufzeichnungskopfes und der Tintenstrahlaufzeichnungsvorrichtung, die das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, möglich, einen Mikrotropfen mit einem Tröpfchendurchmesser in der Größenordnung von 15 μm auszustoßen, so dass sich die Bildqualität stark verbessert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist das Ausstoßen eines solchen Mikrotropfens möglich ohne das Volumen (W1) der Druckkammer zu verkleinern, wodurch das Ausstoßen bei einer hohen Steuerfrequenz durchgeführt werden kann, ohne eine Zunahme der Nachfüllzeit hervorzurufen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung kann das Ausstoßprinzip das sich die inhärente Schwingung des piezoelektrischen Aktors gemäß der Erfindung zunutze macht in Kombination mit einem herkömmlichen Ausstoßprinzip benutzt werden, dass sich die durch die akustische Kapazität (c1) gesteuerte Druckwelle der Druckkammer zunutze macht, so dass ein weiter Tropfendurchmesseranpassungsbereich erreicht werden kann, der es ermöglicht, eine hohe Bildqualität und gleichzeitig eine hohe Aufzeichnungsgeschwindigkeit zu liefern.

Claims

Verfahren zum Ansteuern eines Tintenstrahlaufzeichnungskopfes mit einer Druckkammer (61), die mit einer flüssigen Tinte gefüllt ist, wobei die Druckkammer (61) einen Tintenversorgungsanschluss (64) zur Zufuhr der flüssigen Tinte und eine Tintendüse (62) zum Ausstoßen der Tinte in Form von mindestens einem Tintentröpfchen (67) umfasst, und einem elektromechanischen Wandler (66), der so angeordnet ist, dass durch Anlegen einer Steuerspannung eine Druckwelle in der Druckkammer (61) erzeugt wird, um die Tintentröpfchen (67) über die Tintendüse (62) auszustoßen, wobei der Wandler (66) eine inhärente Schwingungsperiode Ta hat, wobei die Steuerspannung eine erste Steuerspannungswellenform umfasst, wobei die erste Steuerspannungswellenform aufeinander folgend einen ersten Wellenformbereich (11, 31, 51) mit einer ersten Zeitdauer t1 zum Kontrahieren eines Volumens der Druckkammer (61) und einen zweiten Wellenformbereich (12, 32, 52) mit einer zweiten Zeitdauer t2 zum Expandieren des Volumens der Druckkammer aufweist, wobei die ersten und zweiten Zeitdauern t1 und t2 gleich oder kürzer als die inhärente Schwingungsperiode Ta des elektromechanischen Wandlers (66) festgelegt sind, und ein Intervall t3 zwischen einer Startzeit des ersten Wellenformbereichs (11, 31, 51) und der Startzeit des zweiten Wellenformbereichs (12, 32, 52) Ta/s <= t3 <= Ta erfüllt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannungsänderungsgröße des ersten Wellenformbereichs (11, 31, 51) kleiner als eine Spannungsänderungsgröße des zweiten Wellenformbereichs (12, 32, 52) ist.
Tintenstrahlaufzeichnungsverfahren nach Anspruch 1, bei dem die erste Steuerwellenform vor dem ersten Wellenformbereich (31, 51) einen dritten Wellenformbereich (33, 53) aufweist, wobei der dritte Wellenformbereich (33, 53) einen Tintenmeniskus bei der Tintendüse (62) in Richtung auf die Druckkammer (61) hin bewegt.
Tintenstrahlaufzeichnungsverfahren nach Anspruch 2, bei dem der dritte Wellenformbereich (33, 53) das Volumen der Druckkammer (61) expandiert.
Tintenstrahlaufzeichnungsverfahren nach Anspruch 3, bei dem die Druckwelle innerhalb der Druckkammer (61) eine inhärente Schwingungsperiode Tc aufweist, die durch eine akustische Kapazität der Druckkammer definiert ist, und bei dem eine Zeitdauer t6 des dritten Wellenformbereichs (33, 53) ein Verhältnis Ta <= t6 <= Tc zwischen den inhärenten Perioden Ta und Tc erfüllt.
Tintenstrahlaufzeichnungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die inhärente Schwingungsperiode Ta des elektromechanischen Wandlers (66) 5 μs oder weniger beträgt.
Tintenstrahlaufzeichnungsverfahren nach Anspruch 1, bei dem die Steuerspannung des Weiteren eine zweite Steuerwellenform umfasst, wobei die zweite Steuerwellenform einen dritten Wellenformbereich (51A, 51B) mit einer dritten Zeitdauer zum Kontrahieren des Volumens der Druckkammer (61) und einen dritten Wellenformbereich (52A, 52B) mit einer vierten Zeitdauer zum Expandieren der Druckkammer (61) hat, und bei dem die dritten und vierten Zeitdauern länger als die inhärente Periode Ta des elektromechanischen Wandlers sind.
Tintenstrahlaufzeichnungsvorrichtung, die umfasst: einen Tintenstrahlaufzeichnungskopf, mit einer Druckkammer (61), die mit einer flüssigen Tinte gefüllt ist, wobei die Druckkammer (61) einen Tintenversorgungsanschluss (64) zur Zufuhr der flüssigen Tinte und eine Tintendüse (62) zum Ausstoßen der Tinte in Form von mindestens einem Tintentröpfchen (67) umfasst, und einem elektromechanischen Wandler (66), der angeordnet ist, so dass durch Anlegen einer Steuerspannung eine Druckwelle erzeugt wird, um das Tintentröpfchen (67) über die Tintendüse (62) auszustoßen, wobei der Wandler eine inhärente Schwingungsperiode Ta aufweist; und einen Steuerwellenformerzeugungsschaltkreis (121, 131, 132, 133) zum Erzeugen einer oder mehrerer Steuerwellenformen für die Steuerspannung, die an den elektromechanischen Wandler (66) anzulegen ist, wobei die Steuerwellenform eine erste Steuerwellenform umfasst, welche aufeinander folgend einen ersten Wellenformbereich (11, 31, 51) mit einer ersten Zeitdauer zum Kontrahieren eines Volumens der Druckkammer (61) und einen zweiten Wellenformbereich (12, 32, 52) mit einer zweiten Zeitdauer zum Expandieren des Volumens der Druckkammer (61) umfasst, wobei die ers ten und zweiten Zeitdauern gleich oder kürzer als eine inhärente Schwingungsperiode Ta des elektromechanischen Wandlers (66) festgelegt sind, und ein Intervall t3 zwischen einer Startzeit des ersten Wellenformbereichs (11, 31, 51) und der Startzeit des zweiten Wellenformbereichs (12, 32, 52) Ta/2 <= t3 <= Ta erfüllt, dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Spannungsänderungsgröße des ersten Wellenformbereichs (11, 31, 51) kleiner als eine Spannungsänderungsgröße des zweiten Wellenformbereichs (12, 32, 52) ist.
Tintenstrahlaufzeichnungsvorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Steuerwellenform eine zweite Steuerwellenform umfasst, welche aufeinanderfolgend einen dritten Wellenformbereich (51A, 51B) mit einer dritten Zeitdauer zum Kontrahieren des Volumens der Druckkammer und einen vierten Wellenformbereich (52A, 52B) mit einer vierten Zeitdauer zum Expandieren des Volumens der Druckkammer umfasst, wobei die dritten und vierten Zeitdauern länger als die inhärente Schwingungsperiode Ta des elektromechanischen Wandlers (66) sind.
Tintenstrahlaufzeichnungsvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, bei der der elektromechanische Wandler (66) einen piezoelektrischen Vibrator aufweist.
Tintenstrahlaufzeichnungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei der der elektromechanische Wandler (66) in einer longitudinalen Schwingungsmode schwingt.