DE69005362T2 - Akustischer Tintendrucker. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft das akustische Tintendrucken und insbesondere Verfahren und eine Einrichtung zum Halten der freien Tintenflächen solcher Drucker auf im wesentlichen konstanten Höhen.
• Akustisches Tintendrucken hat sich als vielversprechende Direktmarkierungstechnologie herausgestellt. Siehe beispielsweise die US-A-41751,530, US-A-4,751,529 und US-A-4,751,534. Die Technologie steckt noch in ihren Anfängen, kann jedoch eine wichtige Alternative zum Tintenstrahldrucken werden, da sie die Düsen und kleinen Ausstoßöffnungen vermeidet, die vielfältige Zuverlässigkeitsprobleme und Bildplazierungsgenauigkeitsprobleme verursachen, die sich bei herkömmlichen Tropfen-bei-Anforderung- und Stetig-Strom-Tintenstrahldruckern ergeben haben.
• Diese Erfindung baut auf bekannten akustischen Tintendruckvorschlägen auf, die sich auf die Verwendung von fokussierter akustischer Ausstrahlung zum Ausstoßen einzelner Tintentröpfchen bei Bedarf auf einer freien Tintenfläche mit einer ausreichenden Geschwindigkeit beziehen, um diese in einer Bildanordnung auf einem nahen Aufzeichnungsmedium abzulagern. Tröpfchenejektoren, die akustische Fokussierlinsen darstellen, wie sie in den oben erwähnten Patenten beschrieben sind, und piezoelektrische Mantelwandler, wie sie in der US-A-4,308, 547 beschrieben sind, sind vorgeschlagen worden,um ein solches Drucken auszuführen. Außerdem sind Techniken entwickelt worden zum Modulieren des Strahlungsdrucks, den solche Strahlen gegen die freie Tintenfläche ausüben, wodurch der Strahlungsdruck eines ausgewählten Strahls kurz gemacht werden kann, mit kontrollierten Ausschlägen auf ein ausreichend hohes Druckniveau zum Ausstoßen einzelner Tintentröpfchen aus der freien Tintenfläche (d.h. ein ausreichendes Druckniveau, um die Haltekraft der Flächenspannung zu überwinden) bei Bedarf.
• Bekanntlich sind akustische Tintendrucker der vorstehenden Art gegenüber Variationen ihrer freien Tintenflächenhöhen empfindlich. Selbst wenn die Halbwellenresonanzen ihrer mitschwingenden akustischen Hohlräume wirkungsvoll unterdrückt werden, sind Größe und Geschwindigkeit der ausgestoßenen Tintentröpfchen schwierig zu steuern, wenn ihre freien Tintenflächen nicht innerhalb der effektiven Tiefe des Fokus ihres Tröpfchenejektors oder Ejektoren bleiben. Deshalb werden vorzugsweise die freien Tintenflächenhöhen solcher Drucker dicht kontrolliert. Beispielsweise ist die Tiefe des Fokus von Tröpfchenauswerfern des akustischen Linsentyps typischerweise mit der Wellenlänge der akustischen Strahlung der Tinte vergleichbar.
• Zu diesem Zweck enthalten akustische Tintendrucker Vorkehrungen zum Aufrechterhalten ihrer freien Tintenflächen auf mehr oder weniger konstanter Höhe bzw Niveau. Beispielsweise schlägt die EP-A-0 273 664 die Verwendung eines geschlossenen Schleifenservosystems zum Erhöhen und Verringern des Niveaus der freien Tintenfläche unter der Steuerung eines Fehlersignals vor, welches durch Vergleich der Abgabespannungshöhen von den oberen und unteren Hälften eines geteilten Photodetektors erzeugt wird. Die Größe und der Sinn dieses Fehlersignals werden mit der freien Tintenflächenhöhe korreliert, weil ein Laserstrahl von der freien Tintenfläche wegreflektiert wird, um die gegenüberliegenden Hälften des Photodetektors symmetrisch oder asymmetrisch in Abhängigkeit davon zu erleuchten, ob die freie Tintenfläche sich an einem vorbestimmten Niveau befindet oder nicht. Es ist offensichtlich, daß dies manchmal eine funktionierende Lösung des Problems ist, jedoch ist sie teuer durchzuführen und erfordert es, daß Vorkehrungen getroffen werden, den Laser und den gespaltenen Photodetektor in präziser optischer Ausrichtung zu halten. Darüberhinaus ist sie nicht zur Verwendung mit größeren Tröpfchenejektorenreihen geeignet, da die Oberflächenspannung der Tinte dazu neigt, den Spiegel der freien Tintenfläche materiell variieren zu lassen, wenn die freie Tintenfläche eine große Fläche überspannt.
• Tintentransportmechnismen sind auch vorgeschlagen worden, um die Tintenvorräte solcher Drucker aufzufüllen, einschließlich Transporteinrichtungen mit Öffnungen zum Einschließen der Tinte, während sie von einer entfernten Tintenstation zu einer Position in akustischer Ausrichtung mit dem Tintenkopf transportiert wird, siehe US-A-4,801,953 und 4,797,693. Jedoch hängt die teuerung der freien Tintenflächenhöhen, die diese Transporteinrichtungen bewirken, von der Gleichförmigkeit des entfernten Tintenprozesses und von der dynamischen Gleichförmigkeit des Tintentransportprozesses ab.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung enthält ein akustischer Tintendrucker ein Becken flüssiger Tinte mit einer freien Oberfläche, die in engem Kontakt mit der Innenfläche einer perforierten Membran steht. Der Drucker adressiert alle Bildelementpositionen auf seinem Aufzeichnungsmedium über im wesentlichen gleichförmige Öffnungen relativ großen Durchmessers, die sich durch die Membran an Zentren erstrecken, die mit entsprechenden Zentren der Bildelementpositionen ausgerichtet sind. Kapillaranziehung bewirkt, daß der Tintenmeniskus sich durch jede Öffnung an im wesentlichen derselben Höhe erstreckt. Außerdem wird während des Betriebs ein im wesentlichen konstanter Vorspanndruck auf die Tinte ausgeübt, um die Menisken auf einer vorbestimmten Höhe zu halten.
• Zum Ausführen des Druckens werden akustische Strahlen auf die Menisken innerhalb der Öffnungen fokussiert, um wahlweise einzelne Tintentröpfchen von diesen bei Bedarf auszustoßen, jedoch sind die fokussierten Einschnürungsdurchmesser dieser Strahlen signifikant kleiner als der Durchmesser der Öffnungen, so daß die Öffnungen keine materielle Wirkung auf die Größe der Tröpfchen haben, die ausgestoßen werden. Der Vorspanndruck, der auf die Tinten ausgeübt wird, kann erhöht oder verringert werden, während der Drucker zum Betrieb bereit gemacht wird, um die Höhe bzw. das Niveau zu erhöhen und verringern, bei dem die Menisken gehalten werden, wodurch es ermöglicht wird, daß sie präziser in der Fokussierebene der akustischen Strahlen positioniert werden.
• Die Öffnungen können erzeugt werden, während die Membran hergestellt wird, oder sie können in einigen Situationen an Ort und Stelle ausgebildet werden, beispielsweise durch thermische oder akustische Formung in einer Kunststoffmembran. Wenn erwünscht, kann die Außenfläche der Membran so gestaltet werden, daß sle enge, ringförmige Mesa hat, die sich radial von jeder der Öffnungen nach außen erstrecken, um Tinte, Staub und andere Verunreinigen von den Öffnungen abzulenken, wodurch eine Störung der Menisken durch solche Überbleibsel reduziert wird.
• Weitere Merkmale und Vorteile dieser Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen. Darin zeigen:
• Fig. 1 eine fragmentarische Querschnittsansicht eines akustischen Tintendruckers gemäß der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 2 eine vergrößerte fragmentarische Querschnittsansicht des Druckers gemäß Fig. 1;
• Fig. 3 eine fragmentarische, sagitale Querschnittsansicht eines akustischen Tintendruckers, der eine modifizierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, und
• Fig. 4 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
• Mit Bezug auf die Zeichnungen, und insbesondere auf Fig. 1, ist zu sehen, daß ein akustischer Tintendrucker 10 (der nur in einem relevanten Teil gezeigt ist) einen Druckkopf 11 hat, der eine Reihe akustischer Fokussierlinsen 12a bis 12i enthält, um die freie Fläche 13 eines Beckens flüssiger Tinten 14 mit fokussierten akustischen Strahlen 16a bis 16i zu bestrahlen. Wie dargestellt, sind die Linsen 12a bis 12i akustisch direkt mit der Tinte 14 gekoppelt, jedoch versteht es sich, daß sie mit dieser über eine oder mehrere dazwischen liegende, flüssige oder feste akustische Kupplungsmedien (nicht dargestellt) gekoppelt sein können.
• Die Linsen 12a bis 12i sind durch mehr oder weniger identische, kleine kugeligen Vertiefungen oder Einbuchtungen gebildet, die auf voneinander beabstandeten Zentren in einer Fläche (beispielsweise der Oberfläche) eines Substrats 21 gebildet sind, welches aus einem Material mit einer viel höheren Schallgeschwindigkeit als Tinte 14 zusammengesetzt ist. Wenn beispielsweise gewöhnliche auf Wasser basierende oder Öl basierende Tinten verwendet werden, kann dieses Kriterium erfüllt werden, indem das Linsensubstrat 21 aus Materialien wie Silicium, Siliciumkarbid, Siliciumnitrid, Aluminium, Saphir, geschmolzenem Quartz oder bestimmten Glasen hergestellt wird.
• Während des Betriebs werden die Linsen 12a bis 12i einzeln akustisch von der Rückseite durch entsprechende akustische Wellen bestrahlt, die durch einen geeigneten akustischen Generator wie einen RF-angeregten, räumlich adressierbaren, piezoelektrischen Wandler 22 in das Substrat 21 gekoppelt sind. Es ist offensichtlicht, daß die Linsen 12a bis 12i axial auf gleichmäßig beabstandeten Zentren ausgerichtet sein können, um eine lineare Reihe von Tröpfchenejektoren zu bilden, oder Sie können in mehreren Reihen auf versetzten Zentren angeordnet sein, um ein versetztes Tröpfchenejektorfeld zu bilden. Tatsächlich ist offensichtlich, daß die vorliegende Erfindung mit Vorteil bei akustischen Druckköpfen verwendet werden kann, die mehrere Tröpfchenejektoren in verschiedenen geometrischen Anordnungen haben.
• Wie oben erwähnt ist, wird der Druckvorgang durch Modulieren des Strahlungsdrucks ausgeführt, den jeder der akustischen Strahlen 16a bis 16i gegen die freie Tintenfläche 13 ausübt, wodurch einzelne Tintentröpfchen 25 von der freien Fläche 13 bei Bedarf mit einer ausreichenden Kraft ausgestoßen werden, so daß diese auf einer Bildfläche auf einem nahen Aufzeichnungsmedium 26 abgelagert werden. Wenn beispielsweise ein räumlich adressierbarer piezoelektrischer Wandler 22 verwendet wird, wie schematisch dargestellt ist, um die Linsen 12a bis 12i zu bestrahlen, kann ihre HF-Erregung auf einer Linsen-bei-Linsen-Basis pulsbreitenmoduliert werden, um den Strahlungsdruck der Strahlen 16a bis 16i zu modulieren. Typischerweise ist der Druckkopf 11 quer gegenüber dem Aufzeichnungsmedium 26 gestaltet und/oder übersetzt, um alle Rasterpunktpositionen über die volle Breite des Bildfeldes zu adressieren. infolgedessen wird das Aufzeichnungsmedium 26 allgemein in Längsrichtung gegenüber dem Druckkopf 11 vorgerückt, wie in Fig. 2 durch den Pfeil 28 angedeutet ist.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die freie Tintenfläche 13 in engem Kontakt mit der Innenfläche einer perforierten, ebenen Membran 32 gehalten, die (durch nicht dargestellte Mittel) in der Fokussierebene der Linsen 12a bis 12i in paralleler Ausrichtung mit dem Linsensubstrat 21 gehalten ist. Eine Vielzahl von im wesentlichen gleichförmigen Perforationen oder Öffnungen 33a bis 331 erstrecken sich durch die Membran 32 auf Zentren, die nacheinander mit den Rasterpunktpositionen entlang der Querabmessung eines Bildfeldes ausgerichtet sind, wodurch der Druckkopf 11 alle Rasterpunktpositionen über die volle Seitenbreite des Bildfeldes adressieren kann. Die Tintentröpfchen 25 werden von der freien Tintenfläche 11 mehr oder weniger zentral aus einer oder mehreren Öffnungen 33a bis 33i ausgestoßen, jedoch sind die Öffnungsdurchmesser wesentlich größer als die eingeschnürten Durchmesser der fokussierten akustischen Strahlen 16a bis 16i, wodurch diese daran gehindert werden, eine signifikante Wirkung auf die Größe der Tröpfchen 25 auszuüben.
• Als eine allgemeine Regel herrscht im wesentlichen dieselbe kapillare Anziehung zwischen der Tinte 14 und den Seitenwänden von jeder Öffnung 33a bis 33i, so daß der innige Kontakt der Tinte 14 mit der Innenfläche der Membran 32 zusammen mit der Gleichförmigkeit der Öffnungen 33a bis 33i bewirkt, daß die Tintenmenisken sich quer durch jede der Öffnungen 33a bis 33i bei im wesentlichen derselben Höhe erstrecken. Außerdem wird während des Betriebs ein im wesentlichen konstanter Vorspanndruck auf die Tinte 14 ausgeübt, beispielsweise durch eine externe Drucksteuereinrichtung 36, wobei alle diesen Menisken auf einem im wesentlichen konstanten Niveau gehalten werden. Wie Fig. 2 zeigt, kann dieser Vorspanndruck erhöht oder verringert werden, während der Drucker 10 zum Betrieb bereit gemacht wird, um die Höhe der Tintenmenisken innerhalb der Öffnungen 33a bis 33i zu erhöhen oder abzusenken, wie allgemein mit 41 bis 43 angedeutet ist, wodurch die Menisken (d.h. die Abschnitte der freien Tintenfläche 13, von denen die Tintentröpfchen 25 ausgestoßen werden) präziser in der Fokussierebene der Linsen 12a bis 12i positioniert werden können.
• Mit Bezug auf Fig. 3 im Zusammenhang mit einem der detaillierteren Merkmale dieser Erfindung kann die räumliche Stabilität der Tintenmenisken innerhalb der Öffnungen 33a bis 33i verbessert werden, indem die Außenfläche der Membran 32 so gestaltet wird, daß sie erhöhte, enge Mesas 45 hat, die sich von den Öffnungen 33a bis 33i nach außen erstrecken. Tinte, Staub und andere Ablagerungen können während des Betriebs auf die Außenfläche der membran 32 fallen, so daß die Seiten dieser Mesa-ähnlichen Strukturen 45 nach unten geneigt sind, um viele dieser Fremdstoffe von den Öffnungen 33a bis 33i abzulenken, wodurch die Ansammlung von Fremdstoffen in unmittelbarer Nähe der Öffnungen 33a bis 33i reduziert ist. Beispielsweise können die Mesas bzw. Erhöhungen 45 ringförmig sein, um einen ausgeprägten Anti-Fremdstoffschutz für jede der Öffnungen 33a bis 33i zu bilden.
• Typischerweise ist die Membran 32 metallisch, beispielsweise aus Messing oder Berylliumkupfer, und die Öffnungen 33a bis 33i sind präzise ausgearbeitet, beispielsweise durch chemisches Ätzen. Plastikmembranen sind jedoch annehmbare Alternativen. Es versteht sich, daß eine Kunststoffmembran 51 perforiert werden kann, während sie hergestellt wird. Alternativ kann sie an Ort und Stelle perforiert werden, entweder durch Hitze oder durch akustische Energie. In diesem Zusammenhang zeigt Fig. 4 eine Kunststoffmembran 51, die von einer Beschickungsrolle 52 auf einer Seite des Druckkopfs 11 abgezogen wird und auf eine Aufnahmerolle 54 an der entgegengesetzten Seite des Druckkopfs 11 aufgenommen wird. Wann immer ein Abschnitt der Membran 51 seine Nutzungsdauer beendet hat, was entweder durch subjektive Überprüfung oder nach einem vorbestimmten Erneuerungsplan festgestellt wird, kann ein neuer Abschnitt der Membran 21 in Position vorgerückt werden, um diesen zu ersetzen. Es versteht sich, daß einer der Vorteile des Vorrückens der Membran 51 über die freie Tintenfläche 13 (Fig. 1) von Zeit zu Zeit darin besteht, daß der meiste Staub und andere Ablagerungen, die sich auf den Menisken innerhalb der Öffnungen 33a bis 33i angesammelt haben können, von dem Druckkopf 11 beseitigt wird, wenn die Membran 51 bewegt wird.
• Falls gewünscht, kann eine Reihe von Heizelementen 55 verwendet werden, um den neuen Abschnitt der Membran 51 zu perforieren, wenn dieser in Ausrichtung mit dem Druckkopf 11 bewegt wird. Oder der Druckkopf 11 kann verwendet werden, um den neuen Abschnitt der Membran 11 akustisch zu perforieren, nachdem dieser in Position gebracht ist, beispielsweise durch Antrieb der Tröpfchenejektoren bei einer subharmonischen Frequenz der HF- Frequenz, die zum Drucken verwendet wird.
• Die vorliegende Erfindung bietet demnach zuverlässige und verhältnismäßig billige Verfahren und eine Einrichtung zum Aufrechterhalten der freien Tintenfläche eines akustischen Tintendrukkers auf im wesentlichen optimalem Niveau. Gegenwärtig werden vorperforierte metallische Membranen bevorzugt, um die vorliegende Erfindung auszuführen, aber auch Membranen aus anderen Materialien wie Kunststoff sowie Membrane, die an Ort und Stelle perforiert werden, sind mögliche Alternativen.

Claims (6)

1. Akustischer Tintendrucker (10) mit einem Becken flüssiger Tinte mit einer freien Oberfläche und einem Druckkopf mit wenigstens einem Tröpfchenejektor (12) zum Bestrahlen der freien Fläche mit fokussierter akustischer Strahlung, um einzelne Tintentröpfchen bei Bedarf von dieser auszustoßen, wobei die Bestrahlung mit einem begrenzten eingeschnürten Druchmesser in einer Fokussierebene gebündelt wird, einer Membran (32) mit einer Innenfläche, die in engem Kontakt mit der freien Fläche der Tinte steht, wobei die Membran so ausgebildet ist, daß sie eine Vielzahl von Öffnungen (33) mit im wesentlichen gleichmäßiger Größe hat, die sie auf Mittelpunkten durchdringen, die auf zugehörige Rasterpunktpositionen in einem Bildfeld ausgerichtet sind, wobei die freie Fläche der Tinte im wesentlichen koplanare Menisken über der Öffnung bildet und die Öffnungen wesentlich größer sind als der eingeschnürte Durchmesser der akustischen Strahlung, wobei Tröpfchen verschiedener Größe ausgestoßen werden können, ohne daß ihre Größen körperlich von den Öffnungen beeinflußt werden, und mit einer Einrichtung (36) zum Aufrechterhalten der Menisken im wesentlichen in der Fokussierebene während des Betriebs.
2. 2. Drucker nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung zum Aufrechterhalten der Menisken im wesentlichen in der Fokussierebene eine Einrichtung zum Aufbringen eines im wesentlichen konstanten Vorspanndrucks auf die Tinte während des Betriebs enthält.
3. 3. Drucker nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Membran aus einem metallischen Material besteht.
4. 4. Drucker nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Membran aus Kunststoffmaterial besteht.
5. Drucker nach jedem vorhergehenden Anspruch, wobei die Membran langgestreckt ist und der Drucker eine Beschickungsrolle an einer Seite des Druckkopfs, von der neue Membran abgezogen wird, und eine Aufnahmerolle an der anderen Seite des Druckkopfs enthält, auf die benutzte Membran aufgenommen wird.
6. 6. Drucker nach jedem vorhergehenden Anspruch, wobei die Membran eine Außenfläche hat, die so gestaltet ist, daß sie erhöhte Mesas (45) nahe den Öffnungen enthält, wobei die Mesas nach unten von den Öffnungen weg geneigt sind, um Fremdstoffe von diesen weg zu lenken.

   Drucker nach Anspruch 4 oder jedem davon abhängigen Anspruch, mit einer Einrichtung zum Ausbilden von Öffnungen in der Membran an Ort und Stelle.