DE60100559T2

DE60100559T2 - Auf Abruf arbeitender Tintenstrahldrucker mit der Möglichkeit zur Steuerung der Tropfenausstossrichtung und Verfahren dafür

Info

Publication number: DE60100559T2
Application number: DE60100559T
Authority: DE
Inventors: Yung-Rai R. Rochester Lee; John A. Rochester Lebens; Gilbert A. Rochester Hawkins; Ravi Rochester Sharma; Walter S. Rochester Stevens
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 2000-06-30
Filing date: 2001-06-18
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2021-06-19
Also published as: DE60100559D1; EP1167038A1; EP1167038B1; JP2002036551A; US6536873B1

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Tintenstrahl-Drucker und Verfahren und insbesondere auf einen DOD-Tintenstrahldrucker zum direktionalen Steuern des Tintenausstoßes sowie ein Montageverfahren für den Drucker.
Tintenstrahldrucker erzeugen Bilder auf einem Empfangsmaterial dadurch, dass sie Tintentropfen bildweise auf ein Empfangsmaterial abgeben. Die breite Akzeptanz, die Tintenstrahldrucker im Markt gefunden haben, beruht weitgehend auf den Vorteilen der berührungsfreien, geräuscharmen und energiesparenden Arbeitsweise und des kostengünstigen Betriebes sowie der Fähigkeit des Druckers, auf normales Papier zu drucken.
Wünschenswert ist es jedoch, den Winkel steuern zu können, in dem der Tintentropfen auf das Aufzeichnungsmedium auftrifft. Wenn zum Beispiel eine der Tintenausstoßdüsen nicht einsatzbereit ist, etwa weil sie verstopft ist oder aufgrund eines Herstellungsfehlers, wäre es wünschenswert, Tropfen von einsatzbereiten Ausstoßöffnungen so umlenken zu können, dass sie an Positionen drucken, an denen sonst die nicht einsatzbereite Ausstoßöffnung gedruckt hätte. Außerdem werden, wenn jede Ausstoßöffnung an mehreren Positionen des Empfangsmediums Punkte drucken kann, weniger Ausstoßöffnungen benötigt, wodurch die Herstellungskosten des Druckkopfs reduziert werden.
Ferner ist es wünschenswert, die Geschwindigkeit zu steuern, mit der die Tintentropfen auf das Empfangsmedium auftreffen. Durch die Steuerung der Geschwindigkeit steuert man wiederum die Druckgeschwindigkeit.
Tintenstrahldrucker können entweder als DOD (Drop On Demand – Ausstoß der Tropfen nach Bedarf) oder als "kontinuierliche" Tintenstrahldrucker ausgebildet sein. Bei DOD-Tintenstrahldrucker ist an jeder Ausstoßöffnung ein Druckbetätigungsmittel vorgesehen, das den Tintentropfen erzeugt. Dabei kann eine von zwei Arten von Betätigungselementen eingesetzt werden, nämlich thermische Betätigungselemente oder piezoelektrische Betätigungselemente.
Ein DOD-Tintenstrahldrucker mit thermischem Betätigungselement ist in GB 2 007 162 A, erteilt 1979 an Endo et al., beschrieben. Bei diesem Drucker heizt ein an einer zweckmäßigen Stelle vorgesehenes Heizsegment die Tinte auf, so dass eine bestimmte Menge der Tinte die Phase wechselt und eine Gasblase ausbildet und der Tinteninnendruck dadurch so stark ansteigt, dass ein Tintentropfen in Richtung des Empfangsmediums ausgestoßen wird. Allerdings beschreibt das Endo-Patent keine Technik zum direktionalen Steuern des vom Drucker ausgestoßenen Tintentropfens. Insbesondere beschreibt das Endo-Patent auch keine Technik zum Ablenken der Tintentropfen in Richtung auf eine Vielzahl von Druckpositionen auf dem Empfangsmedium. Und schließlich scheint das Endo-Patent auch keine Technik zum Steuern der Geschwindigkeit des Tintentropfens zu offenbaren.
Ein DOD-Tintenstrahldrucker, der einen unter Druck stehenden Behälter mit einem thermisch unterstützten Tropfenausstoß-Mechanismus vereint, ist in US-A-4 275 290, erteilt an Cielo et al., beschrieben. Nach dem Cielo-Patent führt ein Flüssigtinten-Drucksystem einem Behälter unter einem vorbestimmten Druck stehende Tinte zu, und die Tinte wird durch Oberflächenspannung so lange zurückgehalten, bis die Oberflächenspannung durch von einem elektrisch betätigten Widerstandsheizelement erzeugte Wärme verringert wird, wodurch die Tinte aus der Ausstoßöffnung austritt und auf ein Papier-Empfangsmedium auftrifft. Allerdings beschreibt das Cielo-Patent keine Technik zum direktionalen Steuern des vom Drucker ausgestoßenen Tintentropfens. Insbesondere beschreibt das Cielo-Patent auch keine Technik zum Ablenken der Tintentropfen in Richtung auf eine Vielzahl von Druckpositionen auf dem Empfangsmedium. Und schließlich scheint das Cielo-Patent auch keine Technik zum Steuern der Geschwindigkeit des Tintentropfens zu offenbaren.
Ein DOD-Tintenstrahldrucker mit einem piezoelektrischen Betätigungselement ist in US-A-3 946 398, erteilt 1970 an Kyser et al., beschrieben. Dieser Drucker arbeitet mit einem piezoelektrischen Material, dessen piezoelektrische Eigenschaften derart gewählt sind, dass ein angelegtes elektrisches Feld eine mechanische Spannung im Material erzeugt, die das Volumen des Tintenkanals verringert und dadurch einen Tintentropfen ausstößt. Allerdings beschreibt das Kyser-Patent keine Technik zum direktionalen Steuern des vom Drucker ausgestoßenen Tintentropfens. Insbesondere beschreibt das Kyser-Patent auch keine Technik zum Ablenken der Tintentropfen in Richtung auf eine Vielzahl von Druckpositionen auf dem Empfangsmedium. Und schließlich scheint das Kyser-Patent auch keine Technik zum Steuern der Geschwindigkeit des Tintentropfens zu offenbaren.
Ein "kontinuierlicher" Tintenstrahldrucker ist in US-A-4 631 550, erteilt am 23. Dezember 1986 an Michael J. Piatt et al. und abgetreten an den Abtretungsempfänger der vorliegenden Erfindung, beschrieben. Ein derartiger kontinuierlicher Tintenstrahldrucker arbeitet mit elektrostatischen Ladetunnels, die benachbart zu jenen Positionen angeordnet sind, von denen Tintentropfen in Form eines Tintenstroms ausgestoßen werden. Durch die Ladetunnels werden ausgewählte Tintentropfen elektrisch geladen. Die geladenen Tropfen werden durch vorhandene Ablenkplatten, die untereinander eine vorbestimmte elektrische Differentialspannung aufweisen, abwärts abgelenkt. Zum Auffangen der geladenen Tropfen kann eine Rinne vorgesehen sein, während die nicht geladenen Tropfen frei auf das Empfangsmedium auftreffen können. Allerdings beschreibt das Piatt-Patent keine Technik zum direktionalen Steuern des von einem DOD-Drucker ausgestoßenen Tintentropfens. Insbesondere beschreibt das Piatt-Patent auch keine Technik zum Ablenken der von einem DOD-Drucker ausgestoßenen Tintentropfen in Richtung auf eine Vielzahl von Druckpositionen auf dem Empfangsmedium. Und schließlich scheint das Piatt-Patent auch keine Technik zum Steuern der Geschwindigkeit des Tintentropfens zu offenbaren.
Es wurde jedoch bereits versucht, Tintenstrahldrucker mit Tintenstrahldüsen auszustatten, die Tintentropfen an verschiedenen Positionen einer Abtastzeile aufbringen können. Zum Beispiel beschreibt US-A-4 540 990, erteilt am 10. September 1995 an Peter A. Crean, einen kontinuierlichen Tintenstrahldrucker mit Mitteln zum Korrigieren der Tropfen-Bewegungsbahnen in Abhängigkeit von Schwankungen der "Auswurfdistanz" der Tropfen mit dem Ziel, die Tropfen-Positioniergenauigkeit zu verbessern. Nach dem Crean-Patent erzeugen Entfernungssensoren in periodischen Abständen die tatsächliche Auswurfdistanz der Tropfen repräsentierende Signale und vergleichen diese die tatsächliche Aufwurfdistanz anzeigenden Signalen mit einem Signal, das die Entfernung der Düsen von einer vorbestimmten Druckebene repräsentiert. Die Vergleichssignale werden an eine Druckersteuerung übermittelt, die aufgrund dieser Signale die Tropfenbewegungsbahnen anpasst, um durch Schwankungen der Auswurfdistanz verursachte Platzierungsfehler, die zum Beispiel durch Falten im Empfangsmedium oder Maßtoleranz-Abweichungen im Transportsystem für das Empfangsmedium verursacht werden, zu korrigieren. Die Ablenkung der Tropfen wird durch Veränderung der Ablenkspannung der die Tropfen ladenden Ablenkelektroden bewirkt. Allerdings beschreibt das Crean-Patent keine Technik zum direktionalen Steuern des von einem DOD-Drucker ausgestoßenen Tintentropfens, weil es sich bei dem Crean-Drucker nicht um einen DOD-Drucker, sondern um einen kontinuierlichen Drucker handelt. Insbesondere beschreibt das Crean-Patent auch keine andere Technik zum Ablenken der Tintentropfen als den Einsatz einer Ablenkspannung. Und schließlich scheint das Crean-Patent auch keine Technik zum Steuern der Geschwindigkeit des Tintentropfens zu offenbaren.
Zwar ist jede der vorstehend beschriebenen Vorrichtungen für den beabsichtigten Verwendungszweck geeignet, keine der DOD-Tintenstrahl-Druckvorrichtungen bietet jedoch eine direktionale Steuerung des Tintenausstoßes, und keine der kontinuierlichen Tintenstrahl-Druckvorrichtungen setzt für die direktionale Steuerung des Tintentropfens eine andere Technik als eine Ablenkspannung ein. Außerdem steuert keine der vorstehend beschriebenen Vorrichtungen die Geschwindigkeit des Tintentropfens.
Es besteht daher seit langem ein Bedarf an einem DOD-Tintenstrahldrucker zum direktionalen Steuern des Tintenausstoßes sowie an einem Montageverfahren für den Drucker.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen DOD-Tintenstrahldrucker zum direktionalen Steuern des Tintenausstoßes bereitzustellen, so dass jede aus einer Vielzahl von Tintenausstoßöffnungen des Druckers an einer Vielzahl von Positionen eines Empfangsmediums drucken kann.
Im Hinblick auf diese Aufgabe besteht die Erfindung aus einem DOD-Tintenstrahldrucker zum direktionalen Steuern des Tintenausstoßes, mit einem Druckkopf, der eine Tintenausstoßöffnung aufweist, die einen Tintenmeniskus um eine durch sie verlaufende Mittelachse ausbalanciert hält, und einer mit dem Druckkopf verbundenen Ablenkvorrichtung, die mit dem ausbalancierten Meniskus in Wirkverbindung steht, um die Oberflächenspannung eines Bereichs des ausbalancierten Meniskus zu senken, so dass der ausbalancierte Meniskus vom Bereich der geringeren Oberflächenspannung und von der Mittelachse abgelenkt wird und einen abgelenkten Meniskus bildet, wodurch sich ein vom abgelenkten Meniskus abgelöster Tintentropfen in einem Winkel bezüglich der Mittelachse bewegt.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung weist der Drucker einen Druckkopf mit einer Vielzahl langgestreckter Tintenkanäle auf, wobei jeder Kanal in eine allgemein kreisförmige Tintenausstoßöffnung mündet. An jeder Ausstoßöffnung ist ein ausbalancierter Tintenmeniskus symmetrisch um eine senkrecht zur Öffnung verlaufende Mittelachse gehalten. Eine Vielzahl bogenförmiger Heizsegmente ist mit dem Druckkopf verbunden und symmetrisch in Form eines kreisförmigen Rings um die einzelnen Ausstoßöffnungen herum angeordnet. Die Heizsegmente stehen in wärmeübertragender Wirkbeziehung zum ausbalancierten Meniskus und können aktiviert werden, um die Oberflächenspannung eines vorbestimmten seitlichen Bereichs eines der ausbalancierten Menisken zu senken. Wird eines der Heizsegmente aktiviert, wird ein Bereich geringerer Oberflächenspannung erzeugt, so dass der ausbalancierte Meniskus vom seitlichen Bereich geringerer Oberflächenspan nung und von der Mittelachse weg seitlich abgelenkt wird und einen abgelenkten Meniskus ausbildet. Auf diese Weise bewegt sich ein vom abgelenkten Meniskus abgelöster Tintentropfen entlang einer Bewegungsbahn, die in einem Winkel bezüglich der Mittelachse verläuft. Der Winkel verändert sich in Abhängigkeit von dem Maße, in dem die Heizsegmente aktiviert werden.
Mit jedem der Kanäle steht ein mit dem Druckkopf verbundenes Druckerzeugungselement in Verbindung, das die Kanäle derart unter Druck setzt, dass ausbalancierte Menisken ausgebildet werden und sich anschließend Tintentropfen von dem abgelenkten Meniskus lösen. Dabei kann das Druckerzeugungselement aus einer Vielzahl von mit den einzelnen Kanälen in Verbindung stehenden ablenkbaren piezoelektrischen Wandlern bestehen, die bei elektrischer Anregung in die Kanäle hinein abgelenkt werden können, um das Volumen der Kanäle zu verringern, so dass die Kanäle unter Druck gesetzt werden. Alternativ können die Druckerzeugungselemente aus einer Vielzahl von mit den jeweiligen Kanälen in Verbindung stehenden bewegbaren flexiblen Membranen bestehen, die sich bei Erzeugung von Druck in die Kanäle hinein biegen können, um das Volumen der Kanäle zu verringern, so dass Druck in den Kanälen entsteht. Anderseits können die Druckerzeugungselemente aus einer Vielzahl mit den jeweiligen Kanälen in Verbindung stehender bewegbarer Kolben bestehen, die sich in die Kanäle hinein bewegen können, um das Volumen der Kanäle zu verringern, so dass die Kanäle unter Druck gesetzt werden können. Außerdem werden die Druckerzeugungselemente derart gesteuert, dass sie den Tintentropfen mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit ablösen.
Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird eine Vielzahl gebogener Heizsegmente bereitgestellt, die den ausbalancierten Meniskus so ablenken, dass sich ein vom abgelenkten Meniskus gelöster Tintentropfen in einem vorbestimmten, veränderlichen Winkel entlang einer Bewegungsbahn bewegt.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung werden Druckerzeugungsmittel bereitgestellt, die jeweils mit den Kanälen in Verbindung stehen und die Kanäle unter Druck setzen können, um die ausbalancierten Menisken auszubilden, und die danach den Tintentropfen von dem abgelenkten Meniskus ablösen können, wobei die Druckerzeugungsmittel auch die Geschwindigkeit des Tintentropfens steuern können.
Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, dass in Fällen, in denen eine der Ausstoßöffnungen nicht betriebsbereit ist, etwa weil sie verstopft ist oder aufgrund eines Herstellungsfehlers, die Tintentropfen von der betriebsbereiten Ausstoßöffnung zu den Positionen hingelenkt werden, an denen sonst die nicht betriebsbereite Ausstoßöffnung drucken würde.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sie die Herstellungskosten des Druckkopfs senkt.
Außerdem bietet die Erfindung den zusätzlichen Vorteil, dass die Druckgeschwindigkeit je nach den Bedürfnissen des speziellen Druckauftrages veränderlich ist.
Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden dem Fachmann beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen, in denen beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt und beschrieben sind, offenkundig.
Die Beschreibung schließt zwar mit Ansprüchen, in denen der Gegenstand der Erfindung im einzelnen dargestellt und klar beansprucht wird, aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen dürfte die Erfindung wohl aber besser verständlich werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen DOD-Tintenstrahldruckers mit einem Druckkopf;
2 einen vertikalen Schnitt durch ein Detail des dem Druckkopf zugeordneten Druckkopfkörpers, wobei der Druckkopfkörper eine Vielzahl von Tintenkanälen enthält, die in Tintenausstoßöffnungen münden;
3 eine Detailansicht entlang der Schnittlinie 3-3 in 2, in der die Ausstoßöffnungen und jeweils eine jeder Ausstoßöffnung zugeordnete Heizvorrichtung zu erkennen sind, wobei jede Heizvorrichtung zwei Heizsegmente aufweist;
4 einen vertikalen Schnitt durch ein Detail des Druckkopfkörpers mit den Tintenkanälen, wobei in dieser Ansicht auch ein in jedem Kanal vorgesehener bewegbarer piezoelektrischer Wandler zum Ausbilden eines ausbalancierten Meniskus an jeder Ausstoßöffnung zu erkennen ist, wobei jeweils ausgewählte piezoelektrische Wandler um eine Strecke D_i abgelenkt oder bewegt werden;
5 ein Diagramm der Spannungsamplitude V_i in Abhängigkeit von der Zeit T der den Heizvorrichtungen zugeführten elektrischen Signale sowie der sich daraus gebenden Ablenkstrecke D_i;
6 eine Detailansicht der Heizvorrichtung, in der auch die seitlichen Bereiche zu sehen sind, in denen der ausbalancierte Meniskus von der Heizvorrichtung erwärmt wird;
7 einen vertikalen Schnitt durch ein Detail des Druckkopfkörpers, in dem auch die Ausbildung eines abgelenkten und eines nicht abgelenkten Meniskus zu sehen ist, auf die sowohl das Druckerzeugungsmittel als auch die Heizvor richtung einwirken, wobei diese Ansicht ferner einen nicht abgelenkten Meniskus zeigt, auf den nur das Druckerzeugungsmittel einwirkt;
8 einen vertikalen Schnitt durch ein Detail des Druckkopfkörpers, in dem auch die Ausbildung eines abgelenkten und eines nicht abgelenkten Tintentropfens dargestellt ist;
9 ein Diagramm der Tintentropfengeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Ablenkstrecke D_i;
10 ein Diagramm des absoluten Wertes eines Ablenkwinkels ±α in Abhängigkeit von der Ablenkstrecke D₁ bei Aktivierung eines Heizsegments;
11 einen vertikalen Schnitt durch ein Detail einer zweiten Ausführungsform des Druckers, bei der in jedem zum Druckkopfkörper gehörenden Kanal jeweils ein Kolben vorgesehen ist;
12 einen vertikalen Schnitt durch ein Detail einer dritten Ausführungsform des Druckers, bei der in jedem zum Druckkopfkörper gehörenden Kanal jeweils ein Plattenelement vorgesehen ist;
13 einen vertikalen Schnitt durch ein Detail einer vierten Ausführungsform des Druckers, bei der in jedem zum Druckkopfkörper gehörenden Kanal jeweils ein elastomeres Element vorgesehen ist und dieses sich in einem drucklosen Zustand befindet;
14 einen vertikalen Schnitt durch ein Detail der vierten Ausführungsform des Druckers, bei der das elastomere Element in einem unter Druck stehenden Zustand dargestellt ist;
15 einen vertikalen Schnitt durch ein Detail einer fünften Ausführungsform der Erfindung, bei der den Ausstoßöffnungen gegenüber jeweils eine Rinne angeordnet ist;
16 einen vertikalen Schnitt durch ein Detail einer sechsten Ausführungsform der Erfindung, bei der jede Heizvorrichtung jeweils vier Heizsegmente aufweist; und
17 einen vertikalen Schnitt durch ein Detail einer siebten Ausführungsform des Druckers, bei der der Klarheit halber bestimmte Teile weggelassen wurden, so dass eine Vielzahl der Heizsegmente zu erkennen ist, die derart angeordnet sind, dass zwischen ihnen jeweils im gleichen Abstand nur jeweils eine Tintenmarkierung gedruckt wird.
Die Beschreibung richtet sich insbesondere auf jene Elemente, die Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind oder unmittelbarer mit ihr zusammenwirken. Es versteht sich, dass nicht besonders dargestellte oder beschriebene Elemente in unterschiedlicher, dem Fachmann bekannter Weise ausgebildet sein können.
In 1 und 2 ist der Gegenstand der Erfindung dargestellt, nämlich ein allgemein mit 10 bezeichneter DOD-Tintenstrahldrucker (Drop On Demand). Der Drucker 10 ist in der Lage, die Ausstoßrichtung eines Tintentropfens 20 (s. 6) aus einem Druckkopf 30 in Richtung auf ein Empfangsmedium 40 zu steuern, wie dies nachstehend noch genauer beschrieben wird. Bei dem Empfangsmedium 40 kann es sich um ein Reflexionsmedium (z.B. Papier) oder ein Transparent-Medium (z.B. ein Diapositiv) handeln.
Wie aus 1 ersichtlich ist, weist die Bilderzeugungsvorrichtung 10 eine Bildquelle 50 auf, die etwa aus von einem Scanner oder einem Computer kommenden Rasterbilddaten oder aus Kontur-Bilddaten in Form einer PDL (Page Description Language – Seitenbeschreibungssprache) oder einer anderen Form digitaler Bilddarstellung bestehen kann. Die Bilddaten werden einem mit der Bildquelle 50 verbundenen Bildprozessor 60 zugeleitet. Der Bildprozessor 60 setzt die Bilddaten in eine Bildseiten-Pixelmap um. Der Bildprozessor 60 kann im Falle von umzusetzenden PDL-Bilddaten ein Tasterbildprozessor oder im Falle von umzusetzenden Rasterbilddaten ein Pixelbildprozessor sein. In jedem Fall übermittelt der Bildprozessor 60 Halbtondaten an eine mit dem Bildprozessor 60 verbundene Rastereinheit 70. Die Rastereinheit 70 rastert die vom Bildprozessor 60 erzeugten Halbtondaten und erzeugt eine Rasterbilddaten-Bitmap, die in einem Bildspeicher 80 gespeichert wird, bei dem es sich je nach Ausbildung der Bilderzeugungsvorrichtung 10 um einen Ganzseitenspeicher oder einen Streifenspeicher handeln kann. Ein mit dem Bildspeicher 80 verbundener Wellenformgenerator 90 liest die Daten aus dem Bildspeicher 80 aus und legt an den Druckkopf 30 aus Gründen, die im Folgenden noch besprochen werden, elektrische Auslöseimpulse an.
Gemäß 1 wird das Empfangsmedium 40 mittels einer Vielzahl von Transportrollen 100, die durch ein Transportsteuerungssystem 110 elektronisch gesteuert werden, bezüglich des Druckkopfs 30 über eine Auflageplatte 95 hinweg bewegt. Das Transportsteuerungssystem 110 seinerseits wird durch eine geeignete Steuerung 120 gesteuert. Es ist ersichtlich, dass für die Transportsteuerung des Empfangsmediums unterschiedliche mechanische Ausbildungen eingesetzt werden können. Zum Beispiel ist es bei seitenbreiten Druckköpfen zweckmäßig, das Empfangsmedium 40 an einem stationären Druckkopf 30 vorbei zu transportieren. Andererseits ist es bei Abtast-Drucksystemen zweckmäßiger, den Druckkopf 30 in einer relativen Abtastbewegung entlang einer Achse (d.h. einer Neben-Abtastrichtung) und das Empfangsmedium entlang einer dazu orthogonalen Achse (d.h. einer Haupt-Abtastrichtung) zu bewegen.
Aus 1 ist ferner ersichtlich, dass mit einem Tintendruckregler 130 eine Steuerung 120 verbunden sein kann, die den Tintendruckregler 130 steuert. Falls ein solcher Regler 130 vorgesehen ist, kann er den Druck in einem Tintenbehälter 140 regeln. Der Tintenbehälter ist zum Beispiel mittels einer Leitung 150 mit dem Druckkopf 30 verbunden, um dem Druckkopf 30 flüssige Tinte zuzuführen. Außerdem steuert die Steuerung 120 eine Steuerschaltung 160 einer Heizvorrichtung, die aus nachstehend noch zu beschreibenden Gründen mit dem Druckkopf 30 verbunden ist. Ferner kann die Steuerschaltung 160 der Heizvorrichtung aus nachstehend noch zu beschreibenden Gründen selbst Bilddaten vom Bildprozessor 60 entgegennehmen.
Gemäß 1, 2 und 3 weist der Druckkopf 30 einen allgemein mit 170 bezeichneten Druckkopfkörper auf. Der Druckkopfkörper 170 besitzt eine Vielzahl von in ihn eingeschnittenen langgestreckten, parallelen Tintenkanälen 180, die jeweils an einem Ende einen Kanalaustritt 185 aufweisen. Eine alle Kanäle 180 überspannende Deckplatte 187 schließt die jeweils anderen Enden der Kanäle 180 ab. Die Tintenkanäle 180 können jeweils Tinte aufnehmen, die ihnen vom Behälter 140 aus kontrolliert zugeführt wird, so dass in jedem Kanal 180 ein Tintenkörper 190 ausgebildet wird. Der Druckkopfkörper 170 besitzt ferner eine Oberfläche 200, an der eine Düsenplatte 210 befestigt ist, in der eine Vielzahl im wesentlichen kreisförmiger und jeweils mit den Tintenkanal-Austrittsöffnungen 185 ausgerichteter Ausstoßöffnungen 215 ausgebildet sind. Die Mittelachse 217 jeder Ausstoßöffnung 215 verläuft senkrecht zur Ausstoßöffnung 215.
In 2, 3 und 4 bestehen die Flüssigkeitsverbindungen zu den jeweiligen Tintenkörpern 190 aus einer Vielzahl von allgemein mit 220 bezeichneten Tintentropfen-Ablösemitteln, die die Tintenkörper 190 unter Druck setzen. Dabei kann jedes Tintentropfen-Ablöseelement 220 aus einem mit den jeweiligen Kanälen 180 in Verbindung stehenden ablenkbaren piezoelektrischen Wandler 230 bestehen, der bei elektrischer Anregung in den Kanal 180 hinein abgelenkt werden kann. Dieser piezoelektrischer Wandler 230 kann aus einem natürlich vorkommenden Material, etwa Quarz und Turmalin, bestehen. Alternativ kann der piezoelektrische Wandler 230 jedoch auch aus einem künstlich hergestellten piezoelektrischen Keramikmaterial, etwa Bleizirkonattitanat (PZT), Bariumtitanat, Bleititanat oder Bleimetaniobat, bestehen.
In 1, 2, 3, 4 und 5 ist zu erkennen, dass der weiter oben erwähnte Wellenformgenerator 90 an den piezoelektrischen Wandler 230 einen elektrischen Impuls 235 anlegt, um den piezoelektrischen Wandler 230 elektrisch zu stimulieren. Bei elektrischer Anregung wird der piezoelektrische Wandler 230 um eine Strecke "D_i" bezüglich der Abdeckplatte 187 abgelenkt. Dabei hat jeder Impuls 235 eine Impulsbreite "W_i" und eine der Ablenkstrecke D_i entsprechende Spannungsamplitude "V_i". Die ganze Zahl "i" kennzeichnet in eindeutiger Weise den einer eindeutigen Impulsbreite W_i, Spannungsamplitude V_i und Ablenkstrecke D_i zugeordneten eindeutigen Impuls 235. Bei einer bestimmten Impulsbreite W_i und Spannungsamplitude V_i ergibt sich daher eine eindeutige Ablenkstrecke D_i. Auf diese Weise kann die Ablenkstrecke D_i entsprechend den Werten der Impulsbreite W_i und der Spannungsamplitude V_i verändert werden.
Wenn nun – wie in 4 dargestellt – der piezoelektrische Wandler 230 um eine Strecke D₁ bewegt wird, bildet sich an der Ausstoßöffnung 215 ein nach außen gewölbter Meniskus, d.h. der symmetrisch um die Mittelachse 217 herum ausbalancierte Meniskus 240. Normalerweise reicht die Kraft, die der piezoelektrische Wandler 230 bei seiner Bewegung um die Strecke D_i ausübt, aus zu bewirken, dass sich der Tropfen 21a (s. 8) von dem ausbalancierten Meniskus 240 löst, entlang der Mittelachse 217 bewegt und auf das Empfangsmedium 40 auftrifft, um auf dem Empfangsmedium 40 eine Tintenmarkierung (nicht dargestellt) auszubilden. Es wurde jedoch beobachtet, dass wenn eine der Ausstoßöffnungen 215 nicht betriebsbereit ist, etwa weil sie verstopft ist oder aufgrund eines Herstellungsfehlers, die Markierung entweder gar nicht auf dem Empfangsmedium 40 gedruckt oder an einer unerwünschten Position des Empfangsmediums 40 gedruckt wird. Es ist daher wünschenswert, aus der betriebsbereiten Ausstoßöffnung kommende Tropfen so umzulenken, dass sie an jener Position drucken, an der sonst die nicht betriebsbereite Ausstoßöffnung drucken würde. Außerdem wurde beobachtet, dass wenn alle Ausstoßöffnungen 215 Tintenmarkierungen an einer Vielzahl von Positionen auf dem Empfangsmedium 40 drucken können, weniger Ausstoßöffnungen 215 und zugehörige Tintenkanäle 180 benötigt werden, was die Herstellungskosten des Druckkopfs 30 senkt.
Deshalb ist – wie in 2, 3, 6, 7 und 8 zu erkennen ist – auf der Düsenplatte 210 und angrenzend an jede Ausstoßöffnung 215 eine allgemein mit 250 bezeichnete Ablenkvorrichtung vorgesehen, die den Tintentropfen 20 so gegenüber der Mittelachse 217 ablenken kann, dass sich der Tintentropfen 20 entlang einer abgelenkten Bewegungsbahn 260a oder 260b bewegt. Die Bewegungsbahn 260a oder 260b verläuft in einem vorbestimmten veränderlichen Winkel –α bzw. +α bezüglich der Mittelachse 215. Die Ablenkvorrichtung 250 umfasst eine Heizvorrichtung 265, die mit dem Druckkopfkörper 170 verbunden ist und mit dem ausbalancierten Meniskus 240 in eine wärmeübertragende Wirkverbindung gebracht werden kann, um die Oberflächenspannung eines seitlichen Bereichs 267a und 267b (in 6 gestrichelt dargestellt) des ausbalancierten Meniskus 240 abzusenken. Hierzu weist die Heizvorrichtung 265 selbst vorzugsweise eine Vielzahl von gebogenen Heizsegmenten 270a und 270b auf, die in Form eines allgemein kreisförmigen Rings um die Ausstoßöffnung 215 herum symmetrisch angeordnet sind. Die einzelnen Heizsegmente 270a und 270b sind jeweils mittels elektrischer Kontakte 275a und 275b mit der Steuerschaltung 160 der Heizvorrichtung verbunden. Auf diese Weise führt die Steuerschaltung 160 der Heizvorrichtung aus Gründen, die im Folgenden noch besprochen werden, entweder dem Heizsegment 270a oder dem Heizsegment 270b kontrolliert und selektiv einen elektrischen Strom zu. Dabei ist jedoch festzuhalten, dass die Steuerschaltung 160 der Heizvorrichtung aus Gründen, die im Folgenden noch besprochen werden, auch in der Lage ist, dem Heizsegment 270a und dem Heizsegment 270b gleichzeitig und kontrolliert Strom zuzuführen.
Wenn, wie in 2, 3, 6, 7 und 8 zu erkennen ist, das Heizsegment 270a aktiviert wird, sinkt die Oberflächenspannung des ausbalancierten Meniskus 240 im seitlichen Bereich 267a, so dass der Meniskus 240 seitlich abgelenkt wird oder sich vom seitlichen Bereich 267a weg neigt und einen abgelenkten Meniskus 280 ausbildet. Der abgelenkte Meniskus 280 ist allgemein um eine abgelenkte Bewegungsbahn 260a zentriert, die in einem Winkel –α bezüglich der Mittelachse 217 verläuft. Alternativ sinkt bei Aktivierung des Heizsegments 270b die Oberflächenspannung des ausbalancierten Meniskus 240 im seitlichen Bereich 267, so dass der Meniskus 240 seitlich abgelenkt wird oder sich vom seitlichen Bereich 267b weg neigt und einen abgelenkten Meniskus 280 ausbildet. Der abgelenkte Meniskus 280 ist in diesem Fall allgemein um eine abgelenkte Bewegungsbahn 260a zentriert, die in einem Winkel +α bezüglich der Mittelachse 217 verläuft. Natürlich können die Werte des Winkels –α und +α je nach der den Heizsegmenten 270a/b durch die Steuerschaltung 160 der Heizvorrichtung zugeführten Strommenge variieren. Ebenso klar ist, dass wenn kein Strom an die Heizsegmente 270a/b angelegt, ein Tropfen 21a sich entlang der Mittelachse 217 (s. 8) bewegen wird. Auch wenn gleichzeitig dieselbe Strommenge an beide Heizsegmente 270a/b angelegt wird, bewegt sich ein Tropfen 21b entlang der Mittelachse 217 (s. 8). Außerdem wird die vom piezoelektrischen Wandler 230 auf den Tintenkörper 190 ausgeübte Kraft derart gewählt, dass von dem abgelenkten Meniskus 280 bzw. dem nicht abgelenkten ausbalancierten Meniskus 240 Tropfen 20 und 21a/b abgelöst werden.
9 und 10 zeigen eine Kurve der Geschwindigkeit des Tropfens 20 in Abhängigkeit von der Ablenkstrecke D_i bzw. des Ablenkwinkels a in Abhängigkeit von der Ablenkstrecke D_i. Im einzelnen ergibt sich aus 9, dass die Geschwindigkeit des Tropfens 20 in Abhängigkeit von der Ablenkstrecke D_i "S"-förmig verläuft. Aus 10 ist ersichtlich, dass der absolute Wert des Ablenkwinkels α in Abhängigkeit von der Ablenkstrecke D_i sich bei aktiviertem Heizsegment 270a bzw. 270b linear verändert.
11 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, in der anstelle des piezoelektrischen Wandlers 230 ein Kolben 290 vorgesehen ist, um den Tintenkörper 190 unter Druck zu setzen. Der Kolben 290 kann im Tintenkanal 180 gleiten, wobei der Umfang des Kolbens 290 von einer Ringdichtung 295 umgeben sein kann. Die Dichtung 295 kann dichtend an den Wänden des Tintenkanals 180 anliegen, so dass um den Umfang des Kolbens 290 keine Tinte austreten kann, was andernfalls die Aufrechterhaltung des Drucks im Tintenkörper gefährden könnte. Außerdem weist der Kolben 290 eine mit ihm verbundene Kolbenstange 297 auf, die mittels eines geeigneten (nicht dargestellten) Motors derart bewegt werden kann, dass der Kolben 290 im Tintenkanal 180 gleitet.
12 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung, bei der anstelle des piezoelektrischen Wandlers 230 ein metallisches Plattenelement 300 zwischen einem oberen Elektromagneten 310a und einem unteren Elektromagneten 310b vorgesehen ist, um den Tintenkörper 190 unter Druck zu setzen bzw. den Druck wieder aufzuheben. Die Elektromagnete 310a/b können abwechselnd aktiviert werden. Wird der Elektromagnet 310a aktiviert, bewegt sich das Plattenelement 300 vertikal aufwärts, so dass der Druck im Tintenkörper 190 aufgehoben wird und sich kein Meniskus bildet. Wird andererseits der Elektromagnet 310b aktiviert, bewegt sich das Plattenelement 300 vertikal abwärts, so dass der Tintenkörper 190 unter Druck gesetzt wird, sich ein ausbalancierter Meniskus 240 bildet und ein Tropfen 20 (bzw. 21a/b) ausgestoßen wird.
13 und 14 zeigen eine vierte Ausführungsform der Erfindung, bei der anstelle des piezoelektrischen Wandlers 230 eine flexible elastomere Membran 320 vorgesehen ist, die abwechselnd unter Druck gesetzt werden kann, so dass sie sich im Tintenkanal 180 abwärts biegt und den Tintenkörper 190 unter Druck setzt, und entspannt werden kann, so dass sie sich im Tintenkanal 180 aufwärts biegt und den Tintenkörper 190 entspannt. Wenn sich die elastomere Membran 320 vertikal aufwärts biegt, wird der Druck im Tintenkörper 190 aufgehoben, so dass sich natürlich kein Meniskus ausbildet. Wenn andererseits die elastomere Membran 320 sich vertikal abwärts biegt, wird der Tintenkörper 190 unter Druck gesetzt, so dass sich ein ausbalancierter Meniskus 240 bildet und ein Tintentropfen 20 (bzw. 21a/b) ausgestoßen wird. Die Aufwärts- und Abwärtsbiegung der elastomeren Membran 320 wird durch eine allgemein mit 325 bezeichnete geeignete Druckerzeugungs- und Entspannungseinheit bewirkt, die zum Beispiel über einzelne Steuerventile 327 mit den einzelnen elastomeren Membranen 320 in Wirkverbindung steht. Bei dem Druckerzeugungsmittel kann es sich um ein Gas, etwa Luft, oder eine Flüssigkeit, etwa Wasser, handeln.
15 zeigt eine fünfte Ausführungsform der Erfindung, bei der Tintentropfen 21a/b, die keine Tintenmarkierung auf dem Empfangsmedium 40 erzeugen sollen, statt dessen in eine mit dem Tintenbehälter 140 verbundene Tintenrückführrinne 330 gelenkt werden, so dass ungenutzte Tintentropfen 21a/b wieder in den Behälter 140 zurückgeführt und recycelt werden. Tintentropfen 20, die eine Tintenmarkierung erzeugen sollen, werden in der zuvor beschriebenen Weise auf das Empfangsmedium 40 abgelenkt.
16 zeigt eine sechste Ausführungsform der Erfindung, bei der das Ablenkelement 250 vier Heizsegmente 270a/b/c/d aufweist, die jeweils benachbart zu den einzelnen Ausstoßöffnungen 215 auf der Düsenplatte 210 angeordnet sind und dazu dienen, den Tintentropfen 20 in einem von vier Winkeln von der Mittelachse 217 abzulenken. Jedes der Heizsegmente 270a/b/c/d steht in wärmeübertragender Verbindung zu dem ausbalancierten Meniskus 240, so dass es die Oberflächenspannung bestimmter seitlicher Bereiche 267a/b/c/d (in 16 gestrichelt dargestellt) des ausbalancierten Meniskus 240 senken kann. Die Heizsegmente 270a/b/c/d sind jeweils mittels elektrischer Kontakte 275a/b/c/d mit der Steuerschaltung 160 der Heizvorrichtung verbunden. Auf diese Weise legt die Steuerschaltung 160 der Heizvorrichtung aus den hier beschriebenen Gründen kontrolliert und selektiv einen Strom an die Heizsegmente 270a/b/c/d an. Dabei erlaubt es die Verwendung von vier Heizsegmenten 270a/b/c/d dem abgelenkten Meniskus 280, mehr mögliche Richtungen anzunehmen und dadurch die Genauigkeit der Platzierung des Tintentropfens auf dem Empfangsmedium 40 zu verbessern. Dabei sollte jedoch auch beachtet werden, dass die Steuerschaltung 160 der Heizvorrichtung den elektrischen Strom auch gleichzeitig kontrolliert an die Heizsegmente 27a/b/c/d anlegen kann, damit der Tropfen 21a/b sich auf Wunsch entlang der Mittelachse 217 bewegt.
17 zeigt eine siebte Ausführungsform der Erfindung mit einer Vielzahl von Heizvorrichtungen 265, die derart angeordnet sind, dass sie zwischen sich in gleichem Abstand nur eine Tintenmarkierung 335 (gestrichelter Kreis in 17) erzeugen. Da dabei jede Heizvorrichtung 265 und jedes Heizsegment 270a/b/c/d durch die Steuerschaltung 160 der Heizvorrichtung einzeln gesteuert werden kann, versteht es sich, dass die Tintenmarkierung 335 im Hinblick auf eine genauere Wiedergabe der von der Bildquelle 50 gelieferten Bilddaten eine Vielzahl von Druck-Tonstufen annehmen kann.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass wenn eine der Ausstoßöffnungen 215 nicht betriebsbereit sein sollte, zum Beispiel weil sie verstopft ist oder wegen eines Herstellungsfehlers, die Tintentropfen 20 von einer betriebsbereiten Ausstoßöffnung derart abgelenkt werden können, dass sie an jenen Positionen drucken, an denen sonst die nicht betriebsbereite Ausstoßöffnung gedruckt hätte. Denn der an der Ausstoßöffnung bereitstehende ausbalancierte Meniskus wird in diesem Fall so in einer vorbestimmten Richtung abgelenkt, dass der Tintentropfen sich in jener Richtung bewegt.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass durch die Erfindung die Herstellungskosten des Druckkopfs gesenkt werden, weil jede Ausstoßöffnung 215 Tintenmarkierungen an einer Vielzahl von Positionen auf dem Empfangsmedium 40 drucken kann, so dass nur weniger Ausstoßöffnungen benötigt werden.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Druckgeschwindigkeit je nach den besonderen Bedürfnissen des jeweiligen Druckauftrages veränderbar ist. Denn die Geschwindigkeit, mit der die Tintentropfen auf das Empfangsmedium auftreffen, wird durch die Größe der Bewegung des Druckerzeugungselements im Tintenkanal 180 bestimmt.
Die Erfindung wurde vorstehend im einzelnen unter besonderer Bezugnahme auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen beschrieben; es versteht sich jedoch, dass Abweichungen und Modifikationen möglich sind, ohne vom Rahmen der Ansprüche abzuweichen. Zum Beispiel wurde die Erfindung zwar anhand des Einsatzes in einem DOD-Tintenstrahldrucker beschrieben, sie ist aber ebenso in einem kontinuierlichen Tintenstrahldrucker einsetzbar.
Bereitgestellt wird damit ein DOD-Tintenstrahldrucker zum direktionalen Steuern des Tintenausstoßes sowie ein Verfahren für die Montage des Druckers.

Claims

Tintenstrahldrucker zum direktionalen Steuern des Tintenausstoßes, mit (a) einem Druckkopf, der eine Tintenausstoßöffnung aufweist, die einen Tintenmeniskus um eine durch sie verlaufende Mittelachse ausbalanciert hält; und (b) einer mit dem Druckkopf verbundenen Ablenkvorrichtung, die mit dem ausbalancierten Meniskus in Wirkverbindung steht, um die Oberflächenspannung eines Bereichs des ausbalancierten Meniskus zu senken, so dass der ausbalancierte Meniskus vom Bereich geringerer Oberflächenspannung und von der Mittelachse ablenkbar ist und einen abgelenkten Meniskus bildet, wodurch sich ein vom abgelenkten Meniskus abgelöster Tintentropfen in einem Winkel bezüglich der Mittelachse bewegt.
Drucker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkvorrichtung eine Heizvorrichtung umfasst.
Drucker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung eine Vielzahl von Heizsegmenten aufweist, die der Öffnung benachbart angeordnet sind.
Drucker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Tropfenablösevorrichtung, die mit dem Druckkopf verbunden ist, um an der Öffnung den ausbalancierten Meniskus zu bilden und den Tintentropfen anschließend vom abgelenkten Meniskus abzulösen.
Drucker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Tropfenablösevorrichtung den Druckkopf unter Druck setzt.
Drucker nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung eine Vielzahl von Heizsegmenten aufweist, die symmetrisch um die Öffnung herum angeordnet sind.
Drucker nach einem der Ansprüche 2 bis 6, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Öffnungen, von denen jede eine entsprechende Heizvorrichtung umfasst, wobei die Heizvorrichtungen derart angeordnet sind, dass sie im gleichen Abstand dazwischen eine einzelne Tintenmarkierung drucken.
Verfahren zum Betreiben eines Tintenstrahldruckers zum direktionalen Steuern des Tintenausstoßes, mit den Schritten: (a) Bereitstellen eines Druckkopfes, der eine Tintenausstoßöffnung aufweist, die einen Tintenmeniskus um eine durch sie verlaufende Mittelachse ausbalanciert hält; und (b) Aktivieren einer mit dem Druckkopf verbundenen Ablenkvorrichtung, die mit dem ausbalancierten Meniskus in Wirkverbindung steht, um die Oberflächenspannung eines Bereichs des ausbalancierten Meniskus zu senken, so dass der ausbalancierte Meniskus vom Bereich geringerer Oberflächenspannung und von der Mittelachse ablenkbar ist und einen abgelenkten Meniskus bildet, wodurch sich ein vom abgelenkten Meniskus abgelöster Tintentropfen in einem Winkel bezüglich der Mittelachse bewegt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkvorrichtung eine Heizvorrichtung aufweist, die bei Aktivierung erwärmbar ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung eine Vielzahl von Heizsegmenten aufweist, die der Öffnung benachbart angeordnet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucker eine Vielzahl von Öffnungen aufweist und die einer Öffnung zugeordnete Ablenkvorrichtung derart betreibbar ist, dass sie einen abgelenkten Tropfen so positioniert, dass die Positionierung bei nicht betriebsbereiter Öffnung von einer betriebsbereiten Öffnung übernommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung Punkte mit abgelenkten und nicht abgelenkten Tropfen drucken kann.