DE69118344T2

DE69118344T2 - Akustischer Tintendrucker

Info

Publication number: DE69118344T2
Application number: DE69118344T
Authority: DE
Inventors: Babur B Hadimioglu; Butrus T Khuri-Yakub; Calvin P Quate
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1990-12-26
Filing date: 1991-12-23
Publication date: 1996-09-26
Anticipated expiration: 2011-12-24
Also published as: EP0493102A1; DE69118344D1; US5229793A; JPH04296563A; EP0493102B1; JP3189184B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet akustischer Tintentröpfchendrucker und insbesondere auf Verfahren und Geräte zum feinen Kontrollieren bzw. Steuern des Tintenpegeis in den Köpfen solcher Drucker. Akustisches Tintendrucken ist als vielversprechende Technologie für Fertigungsdrucker erkannt worden. Die Technologie befindet sich noch in den Kinderschuhen, sie gelangt jedoch zu einer wichtigen Alternative eines Tintenstrahldruckens, da sie die Dusen und kleine Austoßöffnungen vermeidet, die viele der Zuverlässigkeits- und Genauigkeitsprobleme hervorgerufen haben, die in Verbindung mit Tintenstrahldruckern beobachtet werden. Die Basisprinzipien dieser Technologie sind in der US-A-4 308 547, der 4 751 530, der 4 751 529 und der 4 751 534 beschrieben worden.
Der Druckkopf in einem akustischen Tintendrucker weist einen Behälter mit Tinte, eine Reihe räumlich ausgerichteter Tröpfchenejektoren und einen Mechanismus zur Aufrechterhaltung der Oberfläche der Tinte auf einem gewünschten Niveau auf. Wenn die Tröpfchenejektoren durch ein geeignetes, elektrisches Signal aktiviert werden, bestrahlen sie die Oberfläche der Tinte mit einem Strahl einer fokussierten, akustischen Strahlung, wodurch die Tröpfchen dazu gezwungen werden, daß sie von der Oberfläche der Tinte ausgestoßen werden. Die Tröpfchen werden dann auf einem nahegelegenen Aufzeichnungsmedium aufgefangen.
Experimente haben gezeigt, daß die Position der Oberfläche der Tinte kritisch hinsichtlich des Erfolgs des Tintentröpfchenausstoßprozesses ist. Die Oberfläche der Tinte muß innerhalb der effektiven Tiefe eines Fokus der Tröpfchenejektoren verbleiben. Sehr große Bemühungen wurden auf Verfahren zum Kontrollieren der Oberfläche der Tinte gerichtet.
Es ist vorgeschlagen worden, ein geschlossenes Schleifenservo- bzw. -regelsystem zum Erhöhen und Erniedrigen des Niveaus der Tintenoberfläche durch Verwendung eines Fehlersignals zu verwenden, das durch Vergleich der Ausgangsspannungen von der oberen und der unteren Hälfte eines geteilten Photodetektors erzeugt wird. Die Größe und Empfindlichkeit des Fehlersignals werden dann zu dem freien Tintenoberflächenniveau über einen Laserstrahl korreliert, der an der Tintenoberfläche reflektiert wird. Während dies eine praktizierbare Lösung des Problems darstellt, ist sie teuer durchzuführen, und der Photodetektor und der Laserstrahl müssen in einer präzisen, optischen Ausrichtung zueinander gehalten werden.
Tintentransportmechanismen sind auch in der US-A-4,801,953 und dem US-Patent 4,797,693 vorgeschlagen worden. Allerdings ist die freie Oberflächenniveaukontrolle, die durch diese Transportmechanismen geschaffen wird, von der Gleichförmigkeit des Fernsteuertintenverfahrens und von der dynamischen Gleichförmigkeit des Tintentransportprozesses abhängig.
Die EP-A-0,400,955, die einen Drucker gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 darstellt, offenbart die Verwendung einer perforierten Membrane, die in Kombination mit einer Einrichtung zum Unterdrucksetzen der Tinte auf einen im wesentlichen konstanten Vorspannungsdruck die Oberfläche der Tinte näher innerhalb der effektiven Tiefe des Fokus der akustischen Strahlung hält.
Diese Erfindung betrifft einen akustischen Tintendrucker. Er bestitzt einen Behälter mit Tinte mit einer freien Oberfläche. Unterhalb der Tinte ist ein Druckkopf vorhanden, der Unterdruckeinrichtungen oder Tröpfchenejektoren zur Bestrahlung der freien Oberfläche des Behälters mit Tinte mit einer fokussierten, akustischen Strahlung besitzt. Über der Oberfläche des Behälters mit Tinte ist eine Membrane mit einer oder mehreren Öffnungen, die zu den Tröpfchenejektoren ausgerichtet sind, in innigem Kontakt mit der freien Oberfläche des Behälters mit Tinte vorhanden. Die Öffnungen sind im wesentlichen größer als der Mitten- bzw. Taillendurchmesser der fokussierten, akustischen Strahlung. Eine externe Druckquelle hält den Meniskus bzw. den Spiegel der Tinte im wesentlichen in der Fokusebene der fokussierten, akustischen Strahlung während des Betriebs. Ein piezoelektrisches Kristall steht in engem Kontakt mit dem Behälter mit Tinte. Eine elektrische Signalquelle beaufschlagt das piezoelektrische Kristall mit Energie, um ein Drucksignal auf einen Befehl auf die Tinte während des Betriebs der Tröpfchenejektoren zu beaufschlagen.
Die unterschiedlichen Drucksignale, die aus der Beaufschlagung unterschiedlicher, elektrischer Signale auf das piezoelektrische Kristall herruhren, können dazu verwendet werden, individuelle Tintentröpfchen aus der freien Oberfläche der Tinte auf einen Befehl hin auszustoßen oder eine feinfühligere Kontrolle über der freien Oberfläche der Tinte zu bewirken, als dies mit einer externen Druckquelle selbst möglich ist.
Die vorliegende Erfindung wird nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Figur 1 einen Querschnitt eines typischen Druckkopfs eines akustischen Tintendruckers der vorliegenden Erfindung zeigt und
Figur 2 einen Teilquerschnitt des Druckkopfs der Figur 1 zeigt, der auf einen Abschnitt konzentriert ist, um besser einige Einzelheiten eines Betriebs darzustellen.
Figur 1 stellt einen vertikalen Querschnitt des Druckkopfs 10 dar, der gemäß der Erfindung aufgebaut ist. Der Druckkopf 10 weist eine Basis 12 mit einer Reihe Vertiefungen 14 in seiner oberen Oberfläche 13 auf. Eine Oberseite 16, die ähnlich eines Kastens mit offenen Seiten geformt ist, ist Uber der Oberseitenoberfläche 13 der Basis 12 befestigt. Die Oberseite weist ein oberes Teil 19 und vier Seitenteile 23 auf. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Oberseite 16 an der Basis 12 mit einem Klebemittel 18 angeklebt verbunden. Allerdings könnten andere Befestigungsverfahren verwendet werden, die eine flüssigkeitsdichte Dichtung bilden. Der Hohlraum 31 zwischen der Oberseite 16 und der Basis 12 ist mit einer Tinte 33 aufgefüllt. In dem oberen Teil 19 der Oberseite 16 ist eine Öffnung oder sind mehrere Öffnungen 20 zu den Vertiefungen 14 in der Basis 12 ausgerichtet. Die Öffnungen 20 sind klein genug, so daß eine Oberflächenspannung verhindert, daß die Tinte 33 aus dem Hohlraum 31 entweicht.
An der unteren Oberfläche 15 der Basis 12 sind eine Reihe Transducer bzw. Wandler 21 befestigt. Diese Wandler 21 sind auch zu Vertiefungen 14 in der oberen Oberfläche 13 der Basis 12 ausgerichtet.
Durch eines der Seitenteile 23 ist eine Öffnung 22 vorhanden. Durch diese Öffnung 22 steht das freie Ende 25 eines piezoelektrischen Kristalls 24 vor. Irgendein Material, das piezoelektrische Eigenschaften besitzt, kann verwendet werden. Allerdings ist in der bevorzugten Ausführungsform dieses piezoelektrische Kristall 24 aus Bleizirkonattitanat (PZT) hergestellt. In einer anderen Ausführungsform könnte es ein vielschichtiges, piezoelektrisches Element sein, das herkömmlich dazu verwendet wird, eine große Auslenkung mit einer minimalen Spannung, die auf das Kristall von der elektrischen Signalquelle beaufschlagt wird, zu erzielen. Dieses Kristall ist in der Öffnung mit einem Klebemittel 30 gedichtet. Das andere Ende 27 des piezoelektrischen Kristalls ist an einem relativ schweren Träger 26 befestigt, der auch an der Druckkopfbasis 12 befestigt ist. In der bevorzugten Ausführungsform ist das piezoelektrische Kristall 24 verklebt an dem Träger 26 mit einem festen Klebemittel 28 verbunden. Elektrisch mit dem piezoelektrischen Kristall 24 verbunden ist eine Signalquelle 32, die ein Spannungsignal 29 auf das Kristall 24 Uberträgt.
Durch ein anderes Seitenteil 23 der Oberseite 16 hindurch ist eine andere Öffnung 37 vorhanden. Durch diese Öffnung steht ein Rohr 39 vor. An dem anderen Ende dieses Rohrs ist eine Druckquelle 50 für die Tinte 33 vorhanden. Unter Unterdruck von der Druckquelle 50 nimmt die Tinte 33 eine Position ungefähr so an, wie dies bei 36 in der Figur 1 dargestellt ist. Dies wird als die freie Oberfläche 36 der Tinte 33 bezeichnet.
Figur 2 stellt ein Segment des Druckkopfs 10 dar, um besser einige Merkmale seiner Betriebsweise zu demonstrieren. Aufgrund einer Kapillarwirkung kann die freie Oberfläche der Tinte 36 eine Meniskus- bzw. Oberflächenposition zwischen 48a und 48b in Figur 2 annehmen. Wenn der Wandler 21 mit Hochfrequenzenergie von ungefähr 100 bis 200 MHz beaufschlagt wird, liefert er ein akustisches Signal zu der Basis 12 hin. Dieses Signal läuft durch die Basis 12 und wird in eine sphärische Welle der Flüssigkeit an der Vertiefung 14 umgewandelt. Diese Vertiefung 14 richtet einen konvergierenden Strahl 44 akustischer Energie zu der freien Oberfläche 36 der Tinte 33 hin. Wenn das akustische Signal die freie Oberfläche 36 der Tinte 33 erreicht, stößt sie ein Tintentröpfchen 38 dber die Öffnung 20 in der Oberseite 16 zu einem Aufzeichnungsmedium 40 hin aus. Die Tintentröpfchen 38 laufen mit etwa 1 bis einigen m/sec. In der bevorzugten Ausführungsform ist das Aufzeichnungsmedium 40 Papier. Das Aufzeichnungsmedium 40 kann auch hinter dem Druckkopflaufen, wie dies durch den Pfeil 42 in Figur 2 angezeigt ist.
Der Taillendurchmesser 46 des fokussierten, akustischen Strahls 44 beträgt ungefähr 8µm, was beträchtlich kleiner als die Öffnung 20 ist, so daß die Öffnung 20 keinen materiellen Effekt auf die Größe des Tröpfchens 38 hat, das ausgestoßen wird. Die freie Oberfläche 36 der Tinte 33 muß nahe der Fokusebene 52 des fokussierten, akustischen Strahls 44 liegen, um der Energie des Strahls zu ermöglichen, ein Tröpfchen 38 aus Tinte 33 effektiv auszustoßen
Die Verbesserung, die durch diese Erfindung erzielt wird, kann am besten unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 zusammen verstanden werden. Wenn eine Spannung 29 durch eine Quelle 32 auf das piezoelektrische Kristall 24 beaufschlagt wird, wird sich das Kristall 24 expandieren und einen Druckimpuls in die Tinte 33 richten. Das Kristall wird durch den Träger 26 so eingespannt, daß es sich nur in den Hohlraum 31 ausdehnen und die Tinte 33 verschieben kann. Die Höhe, auf die die Tintenoberfläche 34 ansteigt, ist proportional zu der Expansion 54 des piezoelektrischen Kristalls 24 und demzufolge zu der Größe der angelegten Spannung. Diese Verbesserung kann für verschiedene Anwendungen verwendet werden, wie beispielsweise ein Umschalten oder eine feinfühlige Flüssigkeitspegelsteuerung. Für ein Umschalten hebt eine Beaufschlagungsspannung 29 auf die Signalquelle 32 die Oberfläche 34 der Tinte 33 außerhalb der Fokusebene 52 des fokussierten, akustischen Strahls 44 an, wodurch demzufolge ein Austoß der Tröpfchen 38 aufhört. Für eine feinfühlige Flüssigkeitspegelsteuerung wird eine kleinere Spannung 29 auf das Kristall 24 beaufschlagt, um die Tintenoberfläche 34 präzise an oder sehr nahe zu der Fokusebene 54 des fokussierten, akustischen Strahls 44 zu halten. Dies ermöglicht eine engere Kontrolle der Verschiebung der Oberfläche 34 als dies mit der Druckquelle 50 alleine möglich ist.
Es ist möglich, vorteilhafterweise Kapillarwellen zu nehmen, um die Kontrolle der Oberfläche 34 der Tinte 33 zu stützen. Falls die beaufschlagte Spannung 29 sinusförmig ist, wird das resultierende Drucksignal 54 auch sinusförmig sein. In der bevorzugten Ausführungsform wird das piezoelektrische Kristall so angeregt, um in dem Bereich von 1 bis 20 kHz zu vibrieren. Dies wird Kapillarwellen in der Öffnung 20 einstellen, die sich von den Mitten zu den Wänden der Öffnungen 20 ausbreiten werden, wo sie reflektiert werden. Die Frequenz der beaufschlagten Spannung kann so eingestellt werden, daß die maximale Verschiebung an den Mitten der Öffnungen 20 erhalten bleibt. An dieser Stelle paßt sich die Frequenz der piezoelektrischen Druckimpulse der natürlichen Öffnungsfrequenz an. Zum Beispiel sind Oberflächenbewegungen von 50 µm mit einer Kristalltreiberfrequnez von 7 kHz erhalten worden.
Wenn diese Technik zum Umschalten angewandt wird, werden die Hochfrequenzimpulse, die zu den Wandlern 21 zugeführt werden, mit der Frequenz des piezoelektrischen Treibersignals 29 synchronisiert. Um Tröpchen 38 auszustoßen, wird die Phase des piezielektrischen Teibersignals 29 so eingestellt, daß die Oberfläche 34 der Tinte 33 in der Fokusebene 54 liegt, wenn das akustische Signal 44 ankommt. Um den Ausstoß eines Tröpfchens 38 anzuhalten, wird die Phase des piezoelektrischen Slgnals 29 so geändert, daß die Oberfläche 34 der Tine 33 außerhalb der Fokusebene 54 liegt, wenn das akustische Signal 44 ankommt. Unter Resonanz ist das Umschaltansprechverhalten langsam, da es mehrere Zyklen benötigt, bevor die Tintenoberfläche 34 auf einen niedrigeren Pegel kollabiert.
Es sollte angemerkt werden, daß die Frequenz des piezoelektrischen Treibersignals 29 nicht auf die Öffnungsresonanzfrequenz beschränkt ist. Falls Frequenzen unterschiedlich gegenüber der Resonanzfrequenz, d.h. Nicht-Resonanzfrequenzen, verwendet werden, wird die Höhe der Oberfläche 34 der Tinte 33 geringer werden. Allerdings wird das Umschaltansprechverhalten schneller werden, da bei Nicht-Resonanzfrequenzen die Tintenoberfläche 34 innerhalb eines Zyklus auf ein niedrigeres Niveau kollabiert.
Es ist eine andere Möglichkeit gegeben, die Verbesserung, die durch die Erfindung dargestellt wird, zu verwenden. Dieses Verfahren kann verwendet werden, falls die Geschwindigkeit, die an die Oberfläche 34 der Tinte 33 durch das Drucksignal 54 aufgebracht wird, gleich oder größer als die Ausstoßgeschwindlgkeit der Tröpfchen 38 ist. Falls die Oberflächenbewegung in derselben Richtung liegt wie die Richtung der ausgestoßenen Tröpfchen 38, werden sich die zwei Geschwindigkeiten addieren. Falls die Oberflächenbewegung in der entgegengesetzten Richtung verläuft, werden sich die zwei Geschwindigkeiten gegeneinander aufheben oder so reduziert werden, daß keine Tröpfchen 38 ausgestoßen werden. Zum Beispiel nehmen wir die Tröpfchengeschwindigkeit von 2 m/sec an. Falls die Kristalltreiberfrequenz 20 kHz ist und die Oberflächenbewegung ungefähr 10 µm ist, dann wird die maximale Oberflächengeschwindlgkeit ungefähr 2 m/sec sein, was effektiv die Geschwindigkeit verdoppeln kann oder einen Tröpfchenausstoß aufheben kann, wodurch eine Umschaltung durchgeführt wird.
Diese Erfindung stellt eine wesentliche Verbesserung auf dem Gebiet eines akustischen Tintenruckens dar. Sie ermöglicht eine feinfühligere Kontrolle und alternative Verfahren eines Umschaltens als dies zuvor zur Verfügung stand.

Claims

1. Akustischer Tintendrucker, der einen Behälter mit Tinte (33) mit einer freien Oberfläche (36); einen Druckkopf (10), der einen Tröpfchenejektor (14) zum Bestrahlen der freien Oberfläche des Behälters mit einem fokussierten Strahl akustischer Strahlung (44), um ein Tröpfchen (38) von der freien Oberfläche auf Befehl auszustoßen, wobei der Strahl so gebracht wird, um sich mit einem begrenzten Taillendurchmesser (46) in einer Fokusebene (53) zu fokussieren, umfaßt; eine Membran (16), die eine innere Oberfläche (17) in innigem Kontakt mit der freien Oberfläche des Behälters besitzt, wobei die Membran eine Öffnung (20) besitzt, die zu dem Tröpfchenejektor ausgerichtet ist, wobei der Durchmesser der Öffnung im wesentlichen größer als der Taillendurchmesser des fokussierten Strahls ist, wobei die freie Oberfläche der Tinte einen Meniskus (48) über der Öffnung bildet; eine externe Druckquelle (50) zum Beibehalten des Meniskus im wesentlichen in der Fokusebene während des Betriebs des Tröpfchenejektors, umfaßt; gekennzeichnet durch ein piezoelektrisches Kristall (24) in innigem Kontakt mit dem Behälter und eine elektrische Signalquelle (32), die mit dem Kristall verbunden ist, um das Kristall dazu zu bringen, ein Drucksignal auf den Behälter während des Betriebs des Tröpfchenejektors zu beaufschlagen, wobei die Beaufschlagung unterschiedlicher Signale auf das Kristall zu unterschiedlichen Drucksignalen führt, die auf die Tinte beaufschlagt werden, um eine feinfühlige Steuerung der Höhe der freien Oberfläche der Tinte zu bewirken und um den Ausstoß individueller Tröpfchen von Tinte von der freien Oberfläche zu unterstützen oder dieser entgegenzuwirken.

2. Drucker nach Anspruch 1, wobei das Drucksignal, das auf den Behälter beaufschlagt wird, sinusförmig ist.

3. Drucker nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Drucksignal in Resonanz mit dem akustischen Strahl ist.

4. Drucker nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Drucksignal nahezu in Resonanz mit dem akustischen Strahl ist.

5. Drucker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das piezoelektrische Kristall aus Bleizirkonattitanat hergestellt ist.