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Die
Erfindung betrifft allgemein nach dem Drop-on-Demand Verfahren arbeitende
Flüssigkeitsausstoßvorrichtungen,
wie zum Beispiel Tintenstrahldrucker, und insbesondere Vorrichtungen
dieser Art, bei denen eine elektrostatische Aktivierungseinrichtung
Flüssigkeit
aus der Vorrichtung treibt.
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Drop-on-Demand
(DOD)-Flüssigkeitsausstoßvorrichtungen
mit elektrostatischen Aktivierungseinrichtungen für Tintendrucksysteme
sind bekannt. US-A-5 644 341 und US-A-5 668 579, Fujii u. a., 1. Juli
1997 und 16. September 1997, offenbaren solche Vorrichtungen mit
elektrostatischen Aktivierungseinrichtungen, die aus einer Membran
und einer dieser gegenüber
angeordneten Elektrode bestehen. Die Membran wird durch Anlegen
einer ersten Spannung an die Elektrode verformt. Durch Entspannung der
Membran wird ein Tintentröpfchen
aus der Vorrichtung gestoßen.
Andere nach dem Prinzip der elektrostatischen Anziehung arbeitende
Vorrichtungen werden in US-A-5 739 831, US-A-6 127 198 und US-A-6
318 841 sowie in US-Veröffentlichung
Nr. 2001/0023523 offenbart.
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Nach
dem Stand der Technik wird eine elektrostatische Anziehungskraft
nur in einer Richtung angelegt, weil die Elektroden nur anziehen
und nicht abstoßen
können.
Somit sind die Vorrichtungen für die
Rückführung in
eine Ruhestellung auf das elastische Formgedächtnis der Membran angewiesen.
Um eine ausreichend große
Kraft zu erzeugen, werden große
Elektroden benötigt,
während
der Spalt zwischen den Elektroden klein gehalten werden muss. Wenn
eine zum Ausstoßen
eines Tröpfchens
angemessener Größe noch
ausreichende Verdrängung erzielt
werden soll, sind diese beiden Kriterien schwer zu erfüllen. Ein
weiterer Nachteil großer
Elektroden ist die schlechte räumliche
Auflösung
zwischen den Düsen.
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US-B1-6351879
sieht ein Zweielektrodensystem für
die Betätigung
nur eines piezoelektrischen Elements in zwei Richtungen vor. Zwischen der
ersten und zweiten Elektrode wird eine Potentialdifferenz erzeugt,
die in einem piezoelektrischen Element ein elektrisches Feld aufbaut,
sodass dieses durch Zusammenziehung kürzer wird und der Transducer
sich verformt. Die Bewegung dieses federnden Elements reduziert
das Volumen der Flüssigkeitskammer
im Innern der Vorrichtung, sodass sich ein Ventil öffnet und
Tinte aus dem Tintenreservoir fließt.
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Bei
Vorrichtungen, die zum Ausstoßen
von Flüssigkeitstropfen
auf das elastische Formgedächtnis
der Membran angewiesen sind, nimmt die Kraft in der Zeit, in der
Flüssigkeit
ausgestoßen
wird, ab. Dies bedeutet, dass sich die Geschwindigkeit, mit der sich
die Membran bewegt, bei Annäherung
an die Ruhestellung verringert. Dies kann zur Erzeugung unerwünschter
Satellitentröpfchen
im Umfeld des Haupttropfens führen.
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Nach
einem Merkmal der vorliegenden Erfindung weist eine Drop-on-Demand-Flüssigkeitsausstoßvorrichtung,
wie zum Beispiel ein Tintenstrahldrucker, einen elektrostatischen
Tropfenausstoßmechanismus
auf, bei dem ein elektrisches Feld Flüssigkeit aus der Vorrichtung
treibt. Zwei strukturell gekuppelte, getrennt adressierbare Elektroden
bewirken eine erhebliche Steigerung der Leistungsfähigkeit des
elektrostatischen Tropfenausstoßmechanismus. Die
höhere
Leistungsfähigkeit
des elektrostatischen Tropfenausstoßmechanismus ermöglicht eine
Reduzierung der Elektrodengröße(-fläche) und
der benötigten
Elektrodenspannung.
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Die
Flüssigkeitsausstoßvorrichtung
weist eine Flüssigkeitskammer
mit einer Düsenöffnung auf. Zwei
getrennt adressierbare Elektroden sind auf gegenüberliegenden Seiten einer Erdungselektrode
so angebracht, dass die drei Elektroden im Wesentlichen axial mit
der Düsenöffnung ausgerichtet
sind. Die Erdungselektrode weist eine steife Struktur auf, und die
beiden adressierbaren Elektroden sind über eine starre, elektrisch
isolierende Kupplungseinrichtung strukturell miteinander verbunden.
Zum Ausstoßen
eines Tropfens wird an die der Düsenöffnung am nächsten gelegene
adressierbare Elektrode eine elektrostatische Ladung angelegt, welche
diese Elektrode zur Erdungselektrode hin und von der Öffnung weg
zieht. Diese Elektrode bildet einen Wandungsabschnitt der Flüssigkeitskammer
hinter der Düsenöffnung,
sodass eine von der Düse
wegführende
Bewegung der Elektrode die Kammer erweitert und Flüssigkeit
in die sich erweiternde Kammer gesaugt wird. Durch eine gleichzeitige Bewegung
der anderen adressierbaren Elektrode wird elastische Lageenergie
im System gespeichert. Wenn die der Düse am nächsten liegende Elektrode anschließend ausgeschaltet
und die andere adressierbare Elektrode eingeschaltet wird, bewirkt
dies, dass die andere Elektrode zu der Erdungselektrode hin gezogen
wird. Gleichzeitig wird die gespeicherte elastische Lageenergie
freigesetzt. Dadurch wird die Flüssigkeit
in der Kammer hinter der Düsenöffnung mit
Druck beaufschlagt, sodass ein Tropfen aus der Düsenöffnung ausgestoßen wird.
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Die
Erfindung schafft eine Ausstoßvorrichtung
zum Ausstoßen
eines Flüssigkeitstropfens
mit einem Gehäuse,
das eine Kammer mit einem Volumen bildet, wobei in der Kammer eine
Flüssigkeit
aufnehmbar ist und die Kammer eine Düsenöffnung aufweist, aus der ein
Tropfen aufgenommener Flüssigkeit
ausstoßbar
ist; einer Aktivierungseinrichtung, welche umfasst: eine erste adressierbare
Elektrode, die einem bewegbaren Wandungsabschnitt der Kammer zugeordnet
ist, wobei der bewegbare Wandungsabschnitt sich normalerweise in
einer neutralen Stellung befindet, um ein Kammervolumen zu bilden, derart,
dass durch eine elektrostatische Aktivierung der ersten Elektrode
der bewegbare Wandungsabschnitt in eine Richtung bewegt wird, um
das Kammervolumen derart zu vergrößern, das Flüssigkeit
in das Kammervolumen gesaugt wird, und eine zweite adressierbare
Elektrode, die dem bewegbaren Wandungsabschnitt derart zugeordnet
ist, dass durch eine elektrostatische Aktivierung der zweiten Elektrode
der bewegbare Wandungsabschnitt in eine Richtung bewegt wird, um
das Kammervolumen derart zu reduzieren, dass ein Flüssigkeitstropfen
durch die Düsenöffnung ausgestoßen wird;
eine Erdungselektrode, die zwischen der ersten adressierbaren Elektrode
und der zweiten adressierbaren Elektrode angeordnet ist; eine Kupplungseinrichtung,
die sich durch eine Öffnung
in der Erdungselektrode erstreckt, die erste adressierbare Elektrode
und die zweite adressierbare Elektrode verbindet, und die aus einem
elektrisch isolierenden Material besteht; und einer Steuereinrichtung
zum wahlweisen elektrostatischen Aktivieren der ersten und zweiten
Elektrode.
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Die
Erfindung bietet verschiedene Vorteile. So wird die Leistungsfähigkeit
des elektrostatischen Tropfenausstoßmechanismus erhöht. Die
gegen Ende des Tropfenausstoß-
und -ablösevorgangs
angreifende Kraft ist positiv und steuerbar. Dadurch wird die Gefahr
einer Satellitenbildung erheblich reduziert. Da durch die Tinte
kein elektrisches Feld verläuft,
können
leitende Tinten und andere Flüssigkeiten
verwendet werden. Das elektrische Feld kann sich auch durch Luft
oder ein anderes dielektrisches Medium erstrecken, was die elektrostatische
Leistung des Systems erhöht.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten
bevorzugten Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Drop-on-Demand-Flüssigkeitsausstoßvorrichtung;
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2 eine
Querschnittsansicht eines Teils der in 1 dargestellten
Drop-on-Demand-Flüssigkeitsausstoßvorrichtung;
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3–5 Aufsichten
alternativer Ausführungsformen
einer Düsenplatte
der in 1 und 2 dargestellten Drop-on-Demand-Flüssigkeitsausstoßvorrichtung;
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6 eine
Querschnittsansicht der in 2 dargestellten
Drop-on-Demand-Flüssigkeitsausstoßvorrichtung
in einer ersten Aktivierungsphase;
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7 eine
Querschnittsansicht der in 2 dargestellten
Drop-on-Demand-Flüssigkeitsausstoßvorrichtung
in einer zweiten Aktivierungsphase; und
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8 eine
Querschnittsansicht eines Teils einer weiteren Ausführungsform
der in 1 dargestellten Drop-on-Demand-Flüssigkeitsausstoßvorrichtung.
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Die
Erfindung wird hier anhand bestimmter bevorzugter Ausführungsformen
ausführlich
beschrieben, lässt
aber Variationen und Modifikationen im Rahmen ihres Schutzumfangs
zu.
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Wie
nachstehend ausführlich
beschrieben, schafft die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren
zum Betreiben einer Drop-on-Demand-Flüssigkeitsausstoßvorrichtung.
Die bekanntesten dieser Vorrichtungen werden als Druckköpfe in Tintenstrahldrucksystemen
ver wendet. Zahlreiche neuere Anwendungen machen von Vorrichtungen
Gebrauch, die Tintenstrahldruckköpfen ähnlich sind,
aber andere Flüssigkeiten
(keine Tinten) ausstoßen,
die fein dosiert und mit hoher räumlicher
Präzision
aufgebracht werden müssen.
Die nachstehend beschriebenen Erfindungen schaffen Vorrichtungen
und Verfahren zum Betreiben von Tropfenausstoßvorrichtungen mit elektrostatischen
Aktivierungseinrichtungen zur Verbesserung der Energieausbeute und
der Gesamtproduktivität
der Tropfenausstoßvorrichtung.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Drop-on-Demand-Flüssigkeitsausstoßvorrichtung 10,
beispielsweise eines Tintenstrahldruckers, die erfindungsgemäß betrieben
werden kann. Das System weist eine Datenquelle 12 (beispielsweise eine
Bilddatenquelle) auf, welche Signale liefert, die von einer Steuereinrichtung 14 als
Befehle zum Ausstoßen
von Tropfen interpretiert werden. Die Steuereinrichtung 14 gibt
an eine Quelle 16 elektrischer Energieimpulse Signale aus,
die in eine Drop-on-Demand-Flüssigkeitsausstoßvorrichtung,
wie zum Beispiel einen Tintenstrahldrucker 18, eingegeben
werden.
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Die
Drop-on-Demand-Flüssigkeitsausstoßvorrichtung 10 weist
eine Vielzahl elektrostatischer Tropfenausstoßmechanismen 20 auf. 2 zeigt eine
Querschnittsansicht eines der Vielzahl elektrostatisch aktivierter
Tropfenausstoßmechanismen 20. In
einer Düsenplatte 24 ist
für jeden
Mechanismus 20 eine Düsenöffnung 22 ausgebildet.
Der jeweilige Tropfenausstoßmechanismus 20 wird
von einer oder mehreren Wandungen 26 mit einer elektrisch
adressierbaren Elektrode 28 begrenzt. Zur Bildung einer Flüssigkeitskammer 30 für die Aufnahme
der durch die Düsenöffnung 22 auszustoßenden Flüssigkeit, wie
zum Beispiel Tinte, ist der äußere Umfang
der Elektrode 28 dichtend an der Wandung 26 befestigt. Die
Flüssigkeit
wird durch eine oder mehrere Öffnungen 32 aus
einem Vorrat, nicht dargestellt, in die Kammer 30 gesaugt.
Die Bemessung der Öffnungen 32 wird
später
erörtert.
Ein dielektrisches Medium füllt
den Bereich 34 auf der der Kammer 30 gegenüberliegenden
Seite der Elektrode 28 aus. Als dielektrisches Medium wird
Luft oder ein anderes dielektrisches Gas bevorzugt, obwohl eine
dielektrische Flüssigkeit
auch verwendet werden kann.
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Eine
zweite Elektrode 36 kann getrennt von der Elektrode 28 elektrisch
adressiert werden. Die adressierbaren Elektroden 28 und 36 werden
vorzugsweise mindestens teilweise biegsam ausgeführt und auf einander gegenüberliegenden
Seiten nur einer Erdungselektrode 38 so ange ordnet, dass
die drei Elektroden im Wesentlichen axial mit der Düsenöffnung 22 fluchten.
In der Zeichnung ist die adressierbare Elektrode 36 mit
einem Umfangsbereich dargestellt, der eine erhöhte Biegsamkeit aufweist. Da
die adressierbare Elektrode nicht komplett dichtend an der Wandung 26 befestigt
sein muss, kann der Umfangsbereich auch lediglich aus Lappen bestehen,
die den mittleren Bereich der Elektrode 36 an der Wandung 26 festhalten.
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Die
Erdungselektrode 38 weist eine steife Struktur auf, und
die beiden adressierbaren Elektroden sind über eine starre Kupplungseinrichtung 40 strukturell
miteinander verbunden. Diese Kupplungseinrichtung ist als elektrischer
Isolator ausgeführt, wobei
dieser Begriff hier auch eine Kupplungseinrichtung einschließen soll,
die aus einem leitenden Material besteht, aber eine nicht leitende
Unterbrechung aufweist. Die Kupplungseinrichtung 40 verbindet
die beiden adressierbaren Elektroden strukturell miteinander und
isoliert die Elektroden, sodass die beiden Elektroden verschiedene
Ladungen aufweisen können.
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3–5 zeigen
Aufsichten der Düsenplatte 24 mit
verschiedenen alternativen Ausführungsformen
der Grundrisse für
die verschiedenen Düsenöffnungen 22 eines
Druckkopfs. Es sei angemerkt, dass die Innenfläche der Wandungen 26 in 2 und 3 ringförmig ausgebildet
ist, während die
Wandungen 26 in 5 rechteckige Kammern bilden.
Andere Formgebungen sind natürlich
auch möglich.
Die Zeichnung soll lediglich verdeutlichen, dass Alternativen möglich sind,
ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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Um
einen Tropfen auszustoßen,
wird in 6 an die der Düsenöffnung 22 am
nächsten
gelegene adressierbare Elektrode 28 eine elektrostatische
Ladung angelegt, die diese Elektrode zur Erdungselektrode 38 hin
und von der Düsenöffnung weg
zieht. Da diese Elektrode einen Wandabschnitt der Flüssigkeitskammer 30 hinter
der Düsenöffnung bildet,
erweitert die von der Düsenplatte 24 wegführende Bewegung
der Elektrode 28 die Kammer, sodass durch die Öffnungen 32 Flüssigkeit
in die sich erweiternde Kammer gesaugt wird. Die adressierbare Elektrode 36 erhält keine
elektrostatische Ladung und bewegt sich gleichzeitig mit der adressierbaren Elektrode 28.
Dadurch wird im System elastische Lageenergie gespeichert.
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Anschließend (beispielsweise
mehrere Mikrosekunden später)
wird die adressierbare Elektrode 28 ausgeschaltet und die
adressierbare Elektrode 36 eingeschaltet. Dadurch wird
die adressierbare Elektrode 36 zur Erdungselektrode 38 hin
gezogen. Gleichzeitig wird die gespeicherte elastische Lageenergie
freigesetzt. Das Ausschalten der Elektrode 28 und das Einschalten
der Elektrode 36 kann gleichzeitig erfolgen oder nach einer
kurzen Verweilzeit, sodass das Gehäuse beginnt, sich ausschließlich unter der
Kraft der im System gespeicherten elastischen Lageenergie aus der
in 6 dargestellten Position in die in 7 dargestellte
Position zu bewegen. Wie aus 7 ersichtlich,
wird dadurch die Flüssigkeit
in der Kammer 30 hinter der Düsenöffnung mit Druck beaufschlagt,
sodass aus der Düsenöffnung ein Tropfen
ausgestoßen
wird. Um sowohl den Nachsaugevorgang als auch das Ausstoßen des
Tropfens zu optimieren, sollten die Öffnungen 32 so bemessen sein,
dass der Strömungswiderstand
gering genug ist, um das Füllen
der Kammer 30 beim Einschalten der Elektrode 28 nicht
wesentlich zu behindern, und dennoch so hoch, dass dem Rückfluss
von Flüssigkeit
durch die Öffnung
während
des Ausstoßens
des Tropfens ein ausreichend hoher Widerstand entgegengesetzt wird.
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Der
mittlere Bereich der adressierbaren Elektrode 36 ist vorzugsweise
von der Struktur her starr, um ein Durchbiegen zu verhindern. Auf
diese Weise wird im Wesentlichen die gesamte beim Adressieren dieser
Elektrode erzeugte Energie durch die Kupplungseinrichtung 40 an
die Elektrode 28 übertragen.
Der mittlere Bereich der Elektrode 28 kann ebenfalls starr
ausgeführt
werden.
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Wie
in 2 gezeigt, ist der Spalt „A" zwischen der adressierbaren Elektrode 28 und
der Erdungselektrode 38 im Vergleich zum Spalt „B" zwischen der adressierbaren
Elektrode 36 und der Erdungselektrode 38 groß. Ein großer Spalt „A" gewährleistet
eine ausreichende Bewegung der Elektrode 28 zum Laden einer
großen
Flüssigkeitsmenge in
die Kammer 30 beim Anlegen einer elektrostatischen Ladung
an die adressierbare Elektrode 28, um diese Elektrode zur
Erdungselektrode 38 hin zu ziehen. Wenn der Spalt „B" anfangs klein ist,
entfernt sich die Elektrode 36 während des Ladevorgangs nicht
soweit von der Erdungselektrode 38, dass beim Anlegen einer
elektrostatischen Ladung an die adressierbare Elektrode keine ausreichende
Anziehungskraft erzeugt wird. Die Elektrode 36 könnte die Erdungselektrode 38 anfangs
sogar berühren.
Dies ist jedoch nicht unbedingt zu empfehlen, weil eine gewisse
Bewegung über
die in 2 gezeigte Stellung hinaus beim Ausstoßen des
Tropfens den Vorteil hat, dass die Rückführung in die Ruhestellung dazu
benutzt werden kann, Flüssigkeit
in die Kammer 30 zu saugen.
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Für den Fall,
dass zusätzliche
Ausstoßkraft erwünscht ist,
sieht die Erfindung vor, dass jede Düsenöffnung 22 mit einem
Tropfenausstoßmechanismus 20' der in 8 dargestellten
Art versehen werden kann, bei dem eine Vielzahl von Elektrodensätzen an
einer einzigen Kupplungseinrichtung 40' befestigt ist. Jeder Elektrodensatz
weist eine elektrisch adressierbare Elektrode 28' auf, wobei
jedoch nur die Elektrode 28',
die sich am nächsten
an der Düsenöffnung 22 befindet,
dichtend an der Wandung 26 befestigt werden muss, um eine
Flüssigkeitskammer 30 zu
bilden. Eine zweite Elektrode 36' eines jeden Elektrodensatzes kann
getrennt von der Elektrode 28' elektrisch adressiert werden.
Eine Erdungselektrode 38' vervollständigt jeweils
den Elektrodensatz. Durch Aktivierung eines oder gleichzeitig mehrerer
Elektrodensätze
kann die Tropfenausstoßkraft
justiert werden.