DE69229822T2

DE69229822T2 - Farbstrahldruckkopf und Drucker

Info

Publication number: DE69229822T2
Application number: DE69229822T
Authority: DE
Inventors: Makoto Ando; Masao Araya; Yasuhito Eguchi; Toshio Narushima; Masayuki Sato; Kaoru Tomono
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1991-10-17
Filing date: 1992-10-16
Publication date: 2000-02-17
Anticipated expiration: 2012-10-17
Also published as: JPH05201024A; JP3161635B2; EP0538147A3; DE69229822D1; EP0538147A2; US5371529A; EP0538147B1; KR930007652A; KR100242804B1

Description

Die Erfindung betrifft Tintenstrahldrucker und ist insbesondere auf einen Tintenstrahldrucker vom sogenannten Drop-On-Demand-Typ gerichtet, bei dem die Tintentröpchen nicht kontinuierlich, sondern nur auf Anforderung erzeugt werden.
Herkömmliche Tintenstrahldrucker werden grob klassifiziert in solche, die nach dem sog. Continuous-Droplet-Verfahren arbeiten, und solche, die nach dem Drop-On-Demand-Verfahren arbeiten. Tintenstrahldrucker vom Drop-On-Demand-Typ werden weiter unterteilt in solche mit elektromechanischem Wandler, mit elektrothermischer Umwandlung, mit elektrostatischer Adsorption und mit Entladung.
Bei Tintenstrahldruckern, die nach dem Continuous-Droplet-Verfahren arbeiten, werden Tintentröpfchen aus einer sehr kleinen Düse durch Vibration in einem konstanten Zyklus ausgestoßen und mit elektrischen Ladungen beaufschlagt, so daß sie entweder abgelenkt oder verteilt werden.
Tintenstrahldrucker, die nach dem Continuous-Droplet-Verfahren arbeiten, haben große Abmessungen, und bei ihnen muß die Tinte wieder gesammelt werden. Sie sprechen jedoch sehr schnell an, so daß sie sich für die Hochgeschwindigkeitsaufzeichnung eignen. Wenn der Innendurchmesser der Düse reduziert wird oder die Tintentropfen in kleinere Tintentröpfchen unterteilt werden, lassen sich darüber hinaus Bilder mit hoher Auflösung aufzeichnen (drucken).
Im Vergleich zu Tintenstrahldruckern vom Continuous-Droplet-Typ können Tintenstrahldrucker vom Drop-On-Demand-Typ mit einfacherer Struktur und außerdem kompakt und preiswert aufgebaut werden. Deshalb sind Tintenstrahldrucker vom Drop-On-Demand-Typ weit verbreitet.
Bei dem Druckkopf von Tintenstrahldruckern vom Drop-On-Demand-Typ wird die Tinte durch einen Druck ausgespritzt, der durch das Verformen eines piezoelektrischen Elements erzeugt wird, oder durch den Druck von Blasen, die erzeugt werden, wenn die Tinte in einem Heizelement erhitzt und verdampft wird.
Da Tintenstrahldrucker vom Drop-On-Demand-Typ, anders als Tintenstrahldrucker vom Continuous-Droplet-Typ, nicht konstant Tinte aus ihrer Düse ausstoßen, wird häufig beobachtet, daß die Düse durch eingetrocknete Tinte, denaturierte Tinte, Tintenschlamm oder dgl. verstopft wird. Deshalb kann die Tinte dann nicht glatt ausgestoßen werden, so daß eine Wartung unvermeidlich wird. Da es außerdem schwierig ist, mit Tintenstrahldruckern vom Drop- On-Demand-Typ Halbtondrucke herzustellen, müssen bei diesem Druckertyp Halbtondrucke mit Hilfe einer sog. Rasterverarbeitung in einem Quasidruckvorgang hergestellt. Deshalb ist die Qualität des Druckbildes unzureichend, und es ist nicht möglich, Vollfarbbilder in einem simultanen Vollfarbendruckvorgang zu drucken. Darüber hinaus wird der Antriebsmechanismus bei einem Tintenstrahldrucker vom Drop-On-Demand-Typ recht groß, und es gelten erhebliche Einschränkungen, wenn eine Düse als Mehrfachdüse modifiziert werden soll. Deshalb ist es nicht möglich, durch Modifizieren eines Druckkopfes zu einem Zeilenkopf Hochgeschwindigkeitsdrucke herzustellen.
Ein Tintenstrahldrucker, der im wesentlichen dem in dem Oberbegriff von Anspruch 1 definierten Drucker entspricht, ist aus JP-A-58 038 189 bekannt.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Tintenstrahl-Druckkopf und einen verbesserten Tintenstrahldrucker vom Drop-On-Demand-Typ zu schaffen, bei dem die oben erwähnten Unzulänglichkeiten und Nachteile des Standes der Technik vermieden werden können.
Es ist ein spezielles Ziel der Erfindung, einen Tintenstrahl-Druckkopf und einen Tintenstrahldrucker vom Drop-On-Demand-Typ zu schaffen, bei dem die Gefahr, daß die Düse verstopft, ausgeschaltet ist und deshalb eine Wartung praktisch überflüssig ist.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, einen Tintenstrahl-Druckkopf und einen Tintenstrahldrucker vom Drop-On-Demand-Typ zu schaffen, der Halbtondrucken mit hoher Qualität erlaubt.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, einen Tintenstrahl-Druckkopf und einen Tintenstrahldrucker vom Drop-On-Demand-Typ zu schaffen, bei dem Bilder simultan in vollen Farben gedruckt werden können.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, einen Tintenstrahl-Druckkopf und einen Tintenstrahldrucker zu schaffen, bei dem eine Düse leicht als Mehrfachdüse modifiziert werden kann, so daß Hochgeschwindigkeitsdrucken mit einem Zeilenkopf problemlos möglich ist.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, einen Tintenstrahl-Druckkopf und einen Tintenstrahldrucker zu schaffen, bei dem verhindert ist, daß Tinte und ein als Trägerflüssigkeit dienendes transparentes Lösungsmittel auch zwischen einer Tintendosiereinheit und einer Tintenmischeinheit natürlich vermischen.
Nach einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Tintenstrahl-Druckkopf vorgesehen mit einer Flüssigkeitskammer, die mit einer Trägerflüssigkeit gefüllt wird, einer Düseneinrichtung mit einer ersten Einlaßöffnung, die mit der Flüssigkeitskammer in Verbindung steht, und einer Tintenstrahl-Ausspritzöffnung, einer Mischeinheit zum Zumischen einer Tinte zu dem Träger, einer in der Flüssigkeitskammer angeordneten Strahlantriebseinrichtung zum Austreiben der Tinte und des Trägers durch die Düse, dadurch gekennzeichnet, daß die Düseneinrichtung eine von der ersten Einlaßöffnung getrennte zweite Einlaßöffnung zum Einspritzen von Tinte in die Düseneinrichtung aufweist, so daß die Tinte und der Träger in der Düseneinrichtung miteinander in Kontakt kommen, wobei die Mischeinrichtung eine in der Düseneinrichtung liegende Mischkammer aufweist.
Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung besitzt der Tintenstrahl-Druckkopf ferner eine Justiereinrichtung zum Justieren der Menge, in der die Tinte in der Mischeinheit der Trägerflüssigkeit zugemischt wird.
Nach einem dritten Aspekt der Erfindung besitzt die Justiereinrichtung Elektroosmose-Einheiten, die eine Mehrzahl von Justiereinheiten bilden, mit denen jeweils Mischmengen von Tinten mehrerer Farben eingestellt werden.
Nach einem vierten Aspekt der Erfindung ist die Düse, die mit der Flüssigkeitskammer in Verbindung steht, mehrfach vorgesehen.
Nach einem fünften Aspekt der Erfindung ist die Justiereinrichtung zum Einstellen der Mischmenge der Tinte eine Einheit für eine konstante Menge an elektroosmotischer Tinte, die eine erste poröse Membran aufweist, die in einem mit der Tinte gefüllten Tintenbehälter angeordnet ist.
Nach einem sechsten Aspekt der Erfindung besitzt der Tintenstrahl-Druckkopf eine erstes Rückschlagventil, das einen Rückfluß der Tinte verhindert und in einem Tintenzuführungsweg angeordnet ist, der mit dem Tintenbehälter und der Mischeinheit in Verbindung steht.
Nach einem siebten Aspekt der Erfindung besitzt der Tintenstrahl-Druckkopf eine zweite poröse Membran, die in einem Verbindungsabschnitt zwischen dem Tintenzuführungsweg und der Mischeinheit angeordnet ist.
Nach einem achten Aspekt der Erfindung besitzt der Tintenstrahl-Druckkopf ein zweites Rückschlagventil, das zwischen der Flüssigkeitskammer und der Mischeinheit angeordnet ist.
Nach einem neunten Aspekt der Erfindung besitzt der Tintenstrahl-Druckkopf ein drittes Rückschlagventil, das am Eingang der Flüssigkeitskammer angeordnet ist.
Nach einem zehnten Aspekt der Erfindung ist die in der Flüssigkeitskammer angeordnete Antriebseinrichtung ein bimorphes piezoelektrisches Element.
Nach einem elften Aspekt der Erfindung steht das bimorphe piezoelektrische Element in der Flüssigkeitskammer mit der Trägerflüssigkeit in Kontakt.
Nach einem zwölften Aspekt der Erfindung ist die in der Flüssigkeitskammer angeordnete Antriebseinrichtung ein monomorphes piezoelektrisches Element.
Nach einem dreizehnten Aspekt der Erfindung besitzt der Tintenstrahl-Druckkopf einen Öffnungs- und Schließmechanismus zum Einstellen der Mischmengen der Tinte, der an eine Tintenzuführungsöffnung der Mischeinheit angeordnet ist.
Nach einem vierzehnten Aspekt der Erfindung besitzt der Öffnungs- und Schließmechanismus einen Ventilsitz und ein piezoelektrisches Element, wobei der Zwischenraum zwischen diesem und dem Ventilsitz durch Anlegen einer Spannung an das piezoelektrische Element verändert wird.
Nach einem fünfzehnten Aspekt der Erfindung ist der Öffnungs- und Schließmechanismus ein Bestandteil der Antriebseinrichtung, die in der Flüssigkeitskammer angeordnet ist und aus dem genannten piezoelektrischen Element besteht.
Nach einem sechzehnten Aspekt der Erfindung wird der Zwischenraum zwischen dem Ventilsitz und dem piezoelektrischen Element vibrierend geöffnet und geschlossen.
Nach einem siebzehnten Aspekt der wird der Zwischenraum zwischen dem Ventilsitz und dem piezoelektrischen Element von dem piezoelektrischen Element der Tintenstrahl-Antriebsvorrichtung geöffnet und geschlossen.
Nach einem achtzehnten Aspekt der Erfindung besitzt der Tintenstrahl-Druckkopf mehrere Mischeinheiten, die jeweils mit einem Öffnungs- und Schließmechanismus ausgestattet sind.
Nach einem zwanzigsten Aspekt der Erfindung mischen die mehreren Mischeinheiten Tinten mehrerer Farben durch Änderung der Resonanzfrequenzen der in den mehreren Mischeinheiten jeweils vorgesehenen piezoelektrischen Elemente.
Nach einem einundzwanzigsten Aspekt der Erfindung ist ein Tintenstrahldrucker vorgesehen mit einer rotierenden Trommel, um die ein zu bedruckendes Material gewickelt ist, mit einem in axialer Richtung der rotierenden Trommel bewegbar angeordneten Druckkopf und mit einer Antriebseinrichtung zum Bewegen des Druckkopfes in axialer Richtung der rotierenden Trommel im Gleichlauf mit der Drehbewegung der rotierenden Trommel, wobei der Druckkopf ein Tintenstrahl-Druckkopf nach dem ersten bis einundzwanzigsten Aspekt oder einem dieser Aspekte ist.
Nach einem zweiundzwanzigsten Aspekt der Erfindung besitzt der Tintenstrahldrucker ein Antriebsglied zum Drehen der rotierenden Trommel im Gleichlauf mit der Bewegung des Druckkopfes.
Nach einem dreiundzwanzigsten Aspekt der Erfindung besitzt der Druckkopf mehrere Köpfe, die in axialer Richtung der rotierenden Trommel arrayartig angeordnet sind, wobei die mehreren Druckköpfe Tintenstrahl-Druckköpfe nach dem ersten bis einundzwanzigsten Aspekt oder einem dieser Aspekte sind.
Bei dem Tintenstrahl-Druckkopf nach dem ersten Aspekt wird die Tinte mit Hilfe der Mischeinheit in der Flüssigkeitskammer dem transparenten Lösungsmittel zugemischt, wobei die Mischeinheiten von den piezoelektrischen Elementen angetrieben werden, um die gemischte Tinte aus der Düse auszutreiben. Deshalb kann ein Verstopfen der Düse verhindert werden, weil ständig transparentes Lösungsmittel in die Düse eingefüllt wird.
Bei dem Tintenstrahl-Druckkopf nach dem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Menge, in der die Tinte dem transparenten Lösungsmittel zugemischt wird, durch die Elektroosmose- Einheiten eingestellt, so daß Halbtondrucken möglich ist.
Bei dem Tintenstrahl-Druckkopf nach dem dritten Aspekt der Erfindung werden die Mischmengen der Tinten mehrerer Farben jeweils durch die mehreren Elektroosmose-Einheiten eingestellt, so daß simultanes Drucken von Vollfarbbildern möglich ist.
Bei dem Tintenstrahl-Druckkopf nach dem vierten Aspekt der Erfindung stehen mehrere Düsen mit der Flüssigkeitskammer in Verbindung, so daß auf einfache Weise Hochgeschwindigkeitsdrucken mit dem Zeilenkopf möglich ist.
Bei dem Tintenstrahl-Druckkopf nach dem fünften Aspekt der Erfindung ist die Elektroosmose-Einheit mit der ersten porösen Membran in dem Tintenbehälter angeordnet, so daß der Mischeinheit Tinte in einer vorbestimmten Menge zugeführt werden kann.
Bei dem Tintenstrahl-Druckkopf nach dem sechsten Aspekt der Erfindung kann der Rückfluß der Tinte verhindert werden, weil in dem Tintenzuführungsweg das erste Rückschlagventil angeordnet ist.
Bei dem Tintenstrahl-Druckkopf nach dem siebten Aspekt der Erfindung kann verhindert werden, daß die Tinte und das transparente Lösungsmittel nutzlos miteinander vermischt werden, weil zwischen dem Tintenzuführungsweg und der Mischeinheit die zweite poröse Membran angeordnet ist.
Bei dem Tintenstrahl-Druckkopf nach dem achten Aspekt der Erfindung kann verhindert werden, daß transparentes Lösungsmittel, dem Tinte zugemischt wird, in die Flüssigkeitskammer fließt, weil zwischen der Flüssigkeitskammer und der Mischeinheit das zweite Rückschlagventil angeordnet ist.
Bei dem Tintenstrahl-Druckkopf nach dem neunten Aspekt der Erfindung kann der Druck, der von dem piezoelektrischen Element in die Flüssigkeitskammer übertragen wird, blockiert werden, so daß die Flüssigkeitsmischung effizient ausgetrieben werden kann, weil am Eingang der Flüssigkeitskammer das dritte Rückschlagventil angeordnet ist.
Der zehnte bis zwölfte Aspekt der Erfindung geben die Art und die räumliche Anordnung der piezoelektrischen Elemente in dem Tintenstrahl-Druckkopf an.
Bei dem Tintenstrahl-Druckköpfen nach dem dreizehnten bis siebzehnten Aspekt der Erfindung kann verhindert werden, daß Tinte und transparentes Lösungsmittel sich miteinander natürlich vermischen, weil an der Tintenzuführungsöffnung der Mischeinheit der Öffnungs- und Schließmechanismus vorgesehen ist.
Mit den Tintenstrahl-Druckköpfen nach dem achtzehnten bis zwanzigsten Aspekt der Erfindung können klare Farbdrucke mit der einzigen Düse hergestellt werden, ohne daß viele Farben vermischt werden, weil mehrere Mischeinheiten vorgesehen sind, die jeweils einen eigenen Öffnungs- und Schließmechanismus besitzen.
Mit dem Tintenstrahl-Druckkopf nach dem einundzwanzigsten bis dreiundzwanzigsten Aspekt der Erfindung können der Transport und die räumliche Anordnung des Kopfes relativ zu der rotierenden Trommel, um die das Druckpapier geschlungen ist, dreifach variiert werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren für den Antrieb eines Tintenstrahl-Druckkopfes, wie es in Anspruch 27 definiert ist.
Zum besseren Verständnis weiterer Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung dient die folgende detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen, bei der auf die anliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt, aus dem der Aufbau eines Tintenstrahl-Druckkopfes nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung hervorgeht,
Fig. 2 zeigt einen vergrößerten Querschnitt des Düsenteils des Tintenstrahl-Druckkopfes von Fig. 1,
Fig. 3 zeigt ein Diagramm, an dem die Gesamtanordnung des ersten Ausführungsbeispiels von Fig. 1 erläuternd wird,
Fig. 4 zeigt einen Längsschnitt, in dem die Anordnung des Tintenstrahl-Druckkopfs nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist,
Fig. 5 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung der Gesamtanordnung eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
Fig. 6 zeigt ein Beispiel für den Aufbau eines Tintenstrahldruckers mit rotierendem Kopf gemäß der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht,
Fig. 7 zeigt ein Beispiel für den Aufbau eines seriellen Tintenstrahldruckers gemäß der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht,
Fig. 8 zeigt ein Beispiel für den Aufbau eines Tintenstrahl-Zeilendruckers gemäß der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht,
Fig. 9 zeigt ein Beispiel für die Schaltung eines Signalverarbeitungs- und Steuersystems für Tintenstrahldrucker gemäß der Erfindung in Blockdarstellung,
Fig. 10A bis 10E zeigen Längsschnitte, an denen die spezifische Struktur und Funktion des Tintenstrahl-Druckkopfs nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert werden,
Fig. 11A bis 11E zeigen fragmentarische vergrößerte Querschnittsansichten der jeweiligen Fig. 10A bis 10E,
Fig. 12 zeigt den Aufbau des Rückschlagventils von Fig. 10A bis 10E in einer perspektivischen Ansicht,
Fig. 13 zeigt eine teilweise geschnittene Seitenansicht zur Erläuterung der Wirkungsweise der Elektroosmose-Einheit, die in Fig. 10A bis 10E dargestellt ist,
Fig. 14 zeigt ein Diagramm, in dem ein Beispiel der bei dem Elektroosmose-Prozeß und dem Tintenauswurf benutzten Spannungsimpulse dargestellt ist,
Fig. 15 zeigt eine vergrößerte Querschnittsansicht einer zweiten porösen Membran, die in den Beispielen von Fig. 10A bis 10E verwendet wird,
Fig. 16 zeigt eine vergrößerte Querschnittsansicht einer Blendenplatte mit sehr kleiner Öffnung, welche die zweite poröse Membran von Fig. 10A bis 10E ersetzen kann,
Fig. 17 zeigt ein Beispiel für den Aufbau eines Vollfarben-Tintenstrahldruckers gemäß der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht,
Fig. 18A und 18B zeigen fragmentarische geschnittene Seitenansichten der Grundstruktur einer Öffnungs- und Schließeinheit, die an der Tintenzuführungsöffnung bei einem Ausführungsbeispiel des Tintenstrahl-Druckkopfs gemäß der Erfindung angeordnet ist,
Fig. 19 zeigt eine fragmentarische geschnittene Seitenansicht der Struktur eines ersten Beispiels der Öffnungs- und Schließeinheit von Fig. 18A und 18B,
Fig. 20 zeigt eine fragmentarische geschnittene Seitenansicht zur Erläuterung der Funktion der Öffnungs- und Schließeinheit von Fig. 19,
Fig. 21 zeigt eine fragmentarische geschnittene Seitenansicht des Aufbaus eines zweiten Beispiels der Öffnungs- und Schließeinheit von Fig. 18A und 18B,
Fig. 22 zeigt eine fragmentarische geschnittene Seitenansicht zur Erläuterung der Funktion der Öffnungs- und Schließeinheit von Fig. 21,
Fig. 23 zeigt den Aufbau eines bei der Erfindung benutzten monomorphen Elements in einer Seitenansicht,
Fig. 24 zeigt den Aufbau eines bei der Erfindung benutzten bimorphen Elements in einer Seitenansicht,
Fig. 25 zeigt den Aufbau eines dritten Beispiels der Öffnungs- und Schließeinheit von Fig. 18A und 18B in einer fragmentarischen geschnittenen Seitenansicht,
Fig. 26 zeigt eine fragmentarische geschnittene Seitenansicht zur Erläuterung der Funktion der Öffnungs- und Schließeinheit von Fig. 25,
Fig. 27 zeigt den Aufbau eines vierten Ausführungsbeispiels der Öffnungs- und Schließeinheit von Fig. 18A und 18B in einer fragmentarischen geschnittenen Seitenansicht,
Fig. 28 zeigt eine fragmentarische geschnittene Seitenansicht zur Erläuterung der Funktion der Öffnungs- und Schließeinheit von Fig. 27,
Fig. 29 zeigt ein Beispiel für einen Aufbau, bei dem die Düse mit dem Öffnungs- und Schließmechanismus von Fig. 18 als Mehrfachdüse ausgebildet ist, in einer Draufsicht,
Fig. 30 zeigt ein Beispiel für einen Aufbau, bei dem zwei Farben in der Mehrfachdüse von Fig. 29 simultan miteinander gemischt werden, in einer Draufsicht,
Fig. 31 zeigt den Aufbau eines weiteren Beispiels nach Fig. 30 in einer Draufsicht,
Fig. 32 zeigt ein Wellenformdiagramm der Signale für die Mehrfachdüse von Fig. 31,
Fig. 33A zeigt den Aufbau eines Beispiels für ein bei der vorliegenden Erfindung benutztes Stellglied vom Serientyp in einer perspektivischen Ansicht,
Fig. 33B zeigt ein Schaltungsdiagramm der Anordnung von Fig. 33A,
Fig. 34A zeigt den Aufbau eines Beispiels für ein bei der vorliegenden Erfindung verwendetes Stellglied vom Paralleltyp in einer perspektivischen Ansicht,
Fig. 34B zeigt ein Schaltungsdiagramm der Anordnung von Fig. 34A,
Fig. 35 zeigt den Aufbau eines Beispiels eines Tintenstrahl-Druckkopfs, der das Stellglied vom Serientyp benutzt, in einer Draufsicht,
Fig. 36 zeigt einen Längsschnitt der Anordnung von Fig. 35,
Fig. 37 zeigt den Aufbau eines Beispiels, bei dem die räumliche Anordnung des bimorphen Elements gegenüber Fig. 35 verändert ist, in einer Draufsicht,
Fig. 38 zeigt einen Längsschnitt der Anordnung von Fig. 37,
Fig. 39 zeigt den Aufbau eines Beispiels eines Tintenstrahl-Druckkopfs, der ein als piezoelektrisches Element ausgebildetes Stellglied mit Einzelschichtstruktur benutzt, in einer Draufsicht,
Fig. 40 zeigt einen Längsschnitt der Anordnung von Fig. 39,
Fig. 41 zeigt ein Blockdiagramm der Schaltungskonfiguration eines Beispiels einer Treiberschaltung des Tintenstrahl-Druckkopfs gemäß der Erfindung.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Zunächst wird anhand von Fig. 1 bis 3 ein Tintenstrahldrucker nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Der Tintenstrahldrucker nach diesem Ausführungsbeispiel besitzt, wie dargestellt, ein Gehäuse 1, in dem Elemente und Teile angeordnet sind, die weiter unten beschrieben werden. Das heißt, das Gehäuse 1 enthält eine Flüssigkeitskammer 2, die mit einer Trägerflüssigkeit 7 gefüllt ist. Eine Leitung 5, die mit der Flüssigkeitskammer 2 in Verbindung steht, ist mit einer Zuführungsleitung 17 für Trägerflüssigkeit verbunden, die in Fig. 3 dargestellt ist. Die Leitung 5 besitzt eine Öffnung 6. Die Trägerflüssigkeit 7 kann transparentes Wasser, Alkohol oder ein anderes organisches Lösungsmittel sein. In der Flüssigkeitskammer 2 befinden sich Tintenstrahl-Antriebsmittel 3 und 4. Die Tintenstrahl-Antriebsmittel 3 und 4 bestehen jeweils aus einem piezoelektrischen Element. Beim Anlegen einer impulsförmigen Spannung werden diese Tintenstrahl-Antriebsmittel 3, 4 zur Innenseite der Flüssigkeitskammer 2 hin verformt, so daß die Trägerflüssigkeit 7 in der Flüssigkeitskammer 2 vorübergehend komprimiert wird.
Die Tintenstrahl-Antriebsmittel 3 oder 4 oder als elektromechanische Wandler ausgebildete Tintenstrahl-Antriebsmittel können durch herkömmliche Antriebsmittel mit elektrothermischer Umwandlung, elektrostatischer Adsorption, Entladung, usw. ersetzt werden.
Die Flüssigkeitskammer 2 steht mit einer feinen Düse 14 in Verbindung. Über eine Leitung 10 wird konzentrierte Tinte 9, die sich in einem Tintenbehälter 8 befindet, in die Düse 14 eingeleitet. Wie Fig. 2 zeigt, ist ein Diaphragma 11 mit Ventilfunktion fest mit der Auslaßöffnung der Leitung 10 verbunden. Das Diaphragma 11 kann eine siebartige Membran, eine poröse Membran, eine halbdurchlässige Membran oder dgl. sein. Da das Diaphragma 11 mit der Öffnung der Leitung 10 fest verbunden ist, ist verhindert, daß die konzentrierte Tinte 9 in dem Tintenbehälter 8 sich mit der Trägerflüssigkeit 7 in der Düse 14 natürlich vermischt.
Zu beiden Seiten des Diaphragmas 11 sind Siebelektroden 12 bzw. 13 angeordnet. Wenn an diese Siebelektroden 12 und 13 eine Gleichspannung angelegt wird, wandert die konzentrierte Tinte 9 in dem Tintenbehälter 8 durch Elektroosmose (Elektrophorese) durch das Diaphragma 11 und weiter in die Düse 14, so daß sie der Trägerflüssigkeit 7 zugemischt wird. Die Menge an Tinte 9, die in die Düse 14 wandert, ist dem Strom proportional, der zwischen den Siebelektroden 12, 13 fließt. Deshalb kann die Menge an konzentrierter Tinte 9, die in die Düse 14 eintritt, durch Steuern der Strommenge sehr genau gesteuert werden. Diese Menge an eindringender Tinte 9 wird auf der Basis der physikalischen Eigenschaften der Trägerflüssigkeit 7, des Zwischenraums zwischen den Siebelektroden 12 und 13, den Flächen der Siebelektroden 12, 13, der an die Siebelektroden 12, 13 angelegten Spannung, der Zeit, in der diese Spannung an die Siebelektroden 12, 13 angelegt wird, usw. bestimmt.
Die konzentrierte Tinte 9 kann durch herkömmliche Mittel, wie elektrische, elektromechanische Mittel usw. innerhalb der Düse 14 in Richtung auf die Trägerflüssigkeit 7 bewegt werden.
Die Trägerflüssigkeit 7 und die konzentrierte Tinte 9 können aus Materialien bestehen, die sich leicht miteinander mischen (Flüssigkeit auf Wasserbasis - Tinte auf Wasserbasis), oder aus Materialien, die sich kaum miteinander mischen (Flüssigkeit auf Wasserbasis - Tinte auf Ölbasis). Im letzteren Fall verwendet man als Spannung, die an die Tintenstrahl-Antriebselemente 3, 4 angelegt wird, eine Hochfrequenzspannung, so daß die Trägerflüssigkeit 7 und die konzentrierte Tinte 9 durch Ultraschallprozesse zwangsweise miteinander gemischt werden können.
Wie Fig. 3 zeigt, sind mehrere Flüssigkeitskammern 2 vorgesehen, die jeweils die (in Fig. 3 nicht dargestellten) Tintenstrahl-Antriebselemente 3, 4 und die Düse 14 enthalten. Die Trä gerflüssigkeit 7 wird über eine Trägerflüssigkeit-Zuführungsleitung 17 den betreffenden Flüssigkeitskammern 2 zugeführt. Die konzentrierte Tinte 9 wird über eine Tintenzuführungsleitung 18 den betreffenden (in Fig. 3 nicht dargestellten) Tintenbehältern 8 zugeführt, die den jeweiligen Flüssigkeitskammern 2 zugeordnet sind. Es sind mehrere Düsen 14 in gleichen Abständen arrayförmig auf einer geraden Linie angeordnet.
Im folgenden wird die Funktion des ersten Ausführungsbeispiels beschrieben.
Während einer vorbestimmten Zeitspanne wird eine vorbestimmte Spannung an die Siebelektroden 12, 13 angelegt, die zwischen einem vorbestimmten Tintenbehälter 8 und einer Düse 14 angeordnet sind, so daß eine vorbestimmte Menge an konzentrierter Tinte 9 aus dem Tintenbehälter 8 durch das Diaphragma 11 wandert und in der Düse 14 der Trägerflüssigkeit 7 zugemischt wird. Anschließend wird eine vorbestimmte Spannung an die Tintenstrahl-Antriebselemente 3, 4 der gewünschten Flüssigkeitskammer 2 angelegt, so daß die Düse 14 Tintenpartikel 15 oder nur Trägerflüssigkeitspartikel, die keine Tinte enthalten, ausspritzt. Die ausgespritzten Tintenpartikel 15 haften auf einem (nicht dargestellten) Papier, wodurch Buchstaben, graphische Muster, Bilder oder dgl. auf das Papier gedruckt werden. Das Fassungsvermögen im Innern der Düse 14 ist so gewählt, daß es dem Volumen eines Tintenpartikels 15 oder eines keine Tinte enthaltenden Flüssigkeitspartikels äquivalent ist. Deshalb tritt zwischen dem ausgespritzten Partikel und dem als nächstes auszuspritzenden Partikel praktisch keine störende Beeinflussung bezüglich der Tintendichte auf. Durch entsprechende Steuerung der an die Siebelektroden 12, 13 angelegten Spannung und der Zeitspanne in der diese Spannung an den Siebelektroden 12, 13 anliegt, wird die Menge an konzentrierter Tinte 9, die in die Trägerflüssigkeit 7 gemischt wird, gesteuert, so daß auch Halbtondrucken mit beliebiger Dichte möglich ist. Wenn also in hellster Farbe gedruckt wird, ist die Mischmenge an Tinte 9 gleich Null und auf dem Papier haften transparente Partikel, die nur aus der Trägerflüssigkeit 7 bestehen.
Im folgenden wird anhand von Fig. 4 ein Tintenstrahldrucker nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. In Fig. 4 sind solche Teile, die Teilen von Fig. 1 und 2 entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie dort und werden nicht erneut beschrieben.
In dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält das Gehäuse 1, wie in Fig. 4 dargestellt, Tintenbehälter 8M, 8Y, 8C und 8BK mit magentafarbener Tinte 9M, gelber Tinte 9Y, zyanfarbener Tinte 9C bzw. schwarzer Tinte 9BK. Die Leitungen 10 der Tintenbehälter 8M, 8Y, 8C und 8BK sind mit den betreffenden Düsen 14 verbunden. Die jeweiligen Diaphragmen 11 und der Siebelektroden 12 und 13 der Tintenbehälter 8M, 8Y, 8C und 8BK sorgen dafür, daß die farbigen Tinten 9M, 9Y, 9C und 9BK jeweils in der gewünschten Menge den Trägerflüssigkeiten 7 in den Düsen 14 zugemischt werden, so daß und es können (in Fig. 4 nicht dargestellte) Tintenpartikel 15 beliebiger Farbe ausgespritzt werden, die dann auf dem (nicht dargestellten) Papier haften, und auf diese Weise simultan Mehrfarbendrucke hergestellt werden. Wenn die schwarze Tinte 9BK zur Unterfarbenreduzierung (UCR) verwendet wird, kann die Mischmenge der Tinten im Vergleich zu dem Fall, daß nur die farbigen Tinten 9M, 9Y und 9C gemischt werden, insgesamt reduziert werden. Wenn nämlich ein der Farbe Schwarz entsprechender Teil des Druckbilds, der sich durch Mischen der Tinten der betreffenden Farben ergibt, durch schwarze Tinte ersetzt wird, kann die Tintenmenge, die dem Teil der indischen Tinte entspricht, um das Drei- bis Zweifache reduziert werden.
Wie Fig. 3 zeigt, ist bei dem ersten Beispiel der Erfindung in jeder Flüssigkeitskammer 2 mit den Tintenstrahl-Antriebselementen 3, 4 eine Einzeldüse 14 vorgesehen. Die Erfindung ist hierauf jedoch nicht beschränkt, vielmehr kann jede Flüssigkeitskammer 2 auch mehrere Düsen 14 enthalten, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist. In jeder Düse 14 wird eine vorbestimmte Menge an konzentrierter Tinte 9 in die Trägerflüssigkeit 7 gemischt, und die Tintenpartikel 15 oder die Trägerflüssigkeitspartikel, die keine Tinte enthalten, werden mit Hilfe der (in Fig. 5 nicht dargestellten) Tintenstrahl-Antriebselemente 3, 4 der Flüssigkeitskammer 2 gleichzeitig aus den betreffenden Düsen 14 ausgestoßen, so daß die Tintenpartikel 15 oder die Trägerflüssigkeitspartikel auf dem (nicht dargestellten) Papier haften.
Fig. 6 bis 9 zeigen Beispiele für den Aufbau von Tintenstrahldruckern, die mit einem Tintenstrahl-Druckkopfs 21 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgerüstet sind.
Fig. 6 zeigt ein Beispiel für den Aufbau eines Tintensttahldruckers mit rotierender Trommel. Wie in Fig. 6 dargestellt, ist ein Druckpapier 22, das als zu bedruckendes Material vorbereitet ist, um den Außenumfang einer rotierenden Trommel 23 geschlungen und in einer vorbestimmten Position fixiert. Eine Vortriebsspindel 24 ist am Außenumfang der Trommel 23 parallel zur Richtung der Trommelwelle angeordnet. Der Tintenstrahl-Druckkopf 21 ist mit (nicht dargestellten) Schrauben an der Vortriebsspindel 24 angebracht. Wenn die Vortriebsspindel 24 rotiert, bewegt sich der Kopf 21 in axialer Richtung der rotierenden Trommel 23. Die rotierende Trommel 23 wird von einem Motor 28 über eine Riemenscheibe 25, einen Treibriemen 26 und eine Riemenscheibe 27 angetrieben. Die Drehung der Vortriebsspindel 24 und des Motors 28 und die Bewegung des Kopfes 21 werden von einer Antriebssteuereinheit 29 auf der Basis von Druckdaten und eines Steuersignals 30 gesteuert.
Während die rotierende Trommel 23 sich dreht, spritzt der Kopf 21 synchron mit der Drehung der Trommel 23 Tinte aus, um auf dem Druckpapier 22 ein Bild zu erzeugen. Wenn die Trommel 23 eine Umdrehung ausgeführt hat und damit das Drucken einer Spalte auf dem Druckpapier 22 in dessen Umfangsrichtung abgeschlossen ist, wird die Vorschubspindel 24 gedreht und der Kopf 21 um einen Teilungsabstand weiterbewegt, um dann die nächste Spalte zu drucken. Alternativ können die Trommel 23 und die Vorschubspindel 24 gleichzeitig gedreht werden, so daß der Kopf 21 progressiv bewegt wird, während der Druck erzeugt wird. Wenn der Kopf 21 ein Mehrdüsenkopf ist oder wenn der Kopf 21 den gleichen Abschnitt wiederholt druckt, wird er in geeigneter Weise schrittweise bewegt. Wenn der Kopf 21 nur eine Düse besitzt oder wenn der Kopf 21 ein Mehrdüsenkopf mit weniger Düsen ist, druckt er nach Art einer Spirale, während die Trommel 23 und die Vorschubspindel 24 sich simultan im Gleichlauf drehen.
Fig. 7 zeigt als Beispiel einen Tintenstrahldrucker vom seriellen Typ. Ein Drucker vom seriellen Typ hat im wesentlichen einen ähnlichen Aufbau wie der in Fig. 6 dargestellte Drucker mit rotierender Trommel, wobei das Druckpapier 22 jedoch nicht um die Trommel 23 herumgewickelt ist, sondern mit Hilfe einer Papierandruckwalze 31, die im wesentlichen parallel zur axialen Richtung der rotierenden Trommel 23 angeordnet ist, gegen die rotierende Trommel 23 gedrückt wird. Wenn der Kopf 21 in diesem Fall bewegt wird, um eine Zeile zu schreiben, wird die rotierende Trommel 23 um den einer Zeile entsprechenden Betrag gedreht, um die nächste Zeile zu drucken. Der Kopf 21 wird entweder in der gleichen Richtung oder hin- und hergehend bewegt.
Fig. 8 zeigt ein Beispiel für einen Tintenstrahl-Zeilendrucker. Wie Fig. 8 zeigt, ist anstelle des seriellen Kopfes 21 und der Vorschubspindel 24 von Fig. 7 ein Zeilenkopf 32, der aus einem Array mit einer Anzahl von Köpfen 21 besteht, in axialer Richtung der rotierenden Trommel 23 befestigt. Bei dieser Anordnung des Druckers druckt der Zeilenkopf 32 eine ganze Zeile gleichzeitig. Nach Beendigung des Drucks wird die Trommel 23 um den einer Zeile entsprechenden Betrag gedreht, um die nächste Zeile zu drucken. Alternativ können alle Zeilen simultan gedruckt werden, mehrere Teilblöcke gedruckt werden oder jede zweite Zeile gedruckt werden.
Fig. 9 zeigt das Blockschaltbild eines Druck- und Steuersystems für den Drucker gemäß der Erfindung.
Wie Fig. 9 zeigt, wird ein Signal 41, z. B. in Form von Druckdaten oder dgl., einer Signalverarbeitungs- und Steuerschaltung 42 zugeführt, die das Signal in der sequentiellen Druckreihenfolge anordnet und über einen Treiber 43 einem Kopf 44 zuführt. Die sequentielle Druckreihenfolge ändert sich je nach Struktur des Kopfes und der Druckeinheit. Darüber hinaus ist die sequentielle Druckreihenfolge der sequentiellen Reihenfolge der Eingangsdruckdaten zugeordnet, so daß diese temporär in einem Speicher 45, z. B. einem Zeilen-Pufferspeicher und einem Ein-Bild-Speicher gespeichert wird und dann aus diesem ausgelesen wird. Dem Kopf 44 werden ein Gradationssignal und ein Tintenspritzsignal zugeführt.
Wenn der Kopf 44 ein Mehrkopfkopf mit mehreren Düsen ist, befindet sich auf dem Kopf 44 eine integrierte Schaltung, um die Zahl der mit dem Kopf 44 verbundenen Leitungen zu reduzieren. Eine Korrekturschaltung 46, die mit der Signalverarbeitungs- und Steuerschaltung 42 verbunden ist, führt eine Gamma-Korrektur und beim Farbdrucken und bei Schwankungen zwischen den betreffenden Köpfen eine Farbkorrektur durch. Im allgemeinen sind die Korrekturdaten in der Korrekturschaltung 46 in Form einer ROM-(Nurlesespeicher)-Karte gespeichert und können nach Maßgabe der äußeren Bedingungen, wie Düsenzahl, Temperatur, einem Eingangssignal oder dgl., ausgelesen werden.
Die Signalverarbeitungs- und Steuerschaltung 42 besteht üblicherweise aus einer zentralen Verarbeitungseinheit (CPU) und einem digitalen Signalprozessor (DSP), die ein Signal mit Hilfe einer geeigneten Software verarbeiten. Das verarbeitete Signal wird einer Mehrzwecksteuereinheit 47 zugeführt. Die Mehrzwecksteuereinheit 47 steuert den Antrieb und die Synchronisierung der Motoren, welche die rotierende Trommel 23 und die Vorschubspindel 24 drehen, ferner das Reinigen des Kopfes und die Zuführung und den Auswurf des Druckpapiers 22 usw.. Es erübrigt sich, darauf hinzuweisen, daß das Signal 41 zusätzlich zu den Druckdaten ein Signal der Operationseinheit und ein externes Steuersignal umfaßt.
Anhand von Fig. 10A bis 10E und durchgehend bis Fig. 41 werden spezifische Beispiele des Tintenstrahl-Druckkopfs gemäß der Erfindung beschrieben. In allen diesen Zeichnungsfiguren sind Teile, die Teilen von Fig. 1 entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie dort und werden nicht erneut beschrieben.
Fig. 10A bis 10E und Fig. 11A bis 11E zeigen ein Beispiel für Kopfstrukturen gemäß der Erfindung bzw. deren Funktionsprinzipien.
Wie in Fig. 10A bis 10E und in Fig. 11A dargestellt, wird die Tinte 9 aus dem (nicht dargestellten) Tintenbehälter 8 zugeführt und in eine Tintenkammer 51 gefüllt. Die Tintenkammer 51 ist durch eine erste poröse Membran 52 unterteilt, so daß zwei Tintenkammern entstehen. An der Vorder- bzw. Rückseite der ersten porösen Membran 52 sind metallische Siebelektroden 53, 54 befestigt, durch welche die Tinte 9 hindurchwandern kann. Die Tinte 9 wird ferner über ein erstes Rückschlagventil 55 zu einer zweiten porösen Membran 56 geleitet, wie dies in Fig. 10A beispielhaft dargestellt ist. Das Rückschlagventil 55 besteht, wie in Fig. 12 dargestellt, aus einem Ventilsitz 55b mit einer durchgehenden Bohrung 55a in ihrem Zentrum und einer ringförmigen Ventilplatte 55c und dient dazu, einen Rückfluß der Tinte 9 zu verhindern.
Auf der anderen Seite wird das transparente Lösungsmittel 7 aus einem (nicht dargestellten) Behälter für transparentes Lösungsmittel in den Kopf geleitet und dann in einen Hohlraum 57 für das transparente Lösungsmittel gefüllt, der als Flüssigkeitskammer dient. Das transparente Lösungsmittel 7 wird außerdem über ein zweites Rückschlagventil 58 zu einer Tintenauswurföffnung 59 der Mischkammer 14a geleitet. In der Tintenauswurföffnung 59 bildet das transparente Lösungsmittel 7 aufgrund seiner Oberflächenspannung einen Meniskus 60 mit halbmondförmigem Querschnitt.
Die Tinte 9 und das transparente Lösungsmittel 7 sind durch die zweite poröse Membran 56 voneinander getrennt und können sich deshalb nicht vermischen.
Wenn z. B. eine negative impulsförmige Gleichspannung an die Siebelektroden 54 und 53 angelegt wird, wobei die Siebelektrode 54 relativ zu der Siebelektrode 53 negativ vorgespannt ist, wie dies in Fig. 10B und 11B dargestellt ist, wandert Tinte 9 in einer konstanten Menge durch Elektroosmose von der Seite der Siebelektrode 53 zu der Seite der Siebelektrode 54 in der Tintenkammer 51.
Elektroosmose ist ein Phänomen, das sich folgendermaßen beschreiben läßt: Wenn z. B. ein poröses Diaphragma 62 im zentralen Teil eines U-Rohrs 61 angeordnet ist, wie dies in Fig. 12 dargestellt ist, und das U-Rohr 61 mit einer elektrolytischen Lösung 63 gefüllt wird, und wenn Elektrodenplatten 64, 65 durch die betreffenden Öffnungen in das U-Rohr 61 eingeführt und eine Gleichspannung an die elektrolytische Lösung 63 angelegt wird, bewegt sich die elektrolytische Lösung 63 durch das poröse Diaphragma 62 von dem einen Schenkel in den anderen Schenkel des U-Rohrs 61.
Elektroosmose findet statt, wenn an der Grenze zwischen dem porösen Diaphragma 62 und der elektrolytischen Lösung 63 eine elektrische Doppelschicht ausgebildet wird, so daß die Flüssigkeit (elektrolytische Lösung) gegenüber dem festen Stoff (poröses Diaphragma) ein bestimmtes Potential hat. Dieses Potential wird als elektrokinetisches Potential oder ξ-Potential bezeichnet. Das elektrokinetische Potential wird von den Materialien der Flüssigkeit und des festen Stoffes und dem Zustand der Grenzfläche zwischen Ihnen bestimmt. Die Geschwindigkeit, mit der sich die Flüssigkeit durch Elektroosmose bewegt, ist dem ξ-Potential und der Größe des elektrischen Feldes proportional. Die durchwandernde Flüssigkeitsmenge ist der Menge des fließenden Stromes proportional.
Es werde noch einmal auf Fig. 10B und 11B Bezug genommen. Der Innendruck der Siebelektrode 54 oder dgl. wird durch die Tinte 9 erhöht, die elektrisch von der Seite der Siebelektrode 53 durch die erste poröse Membran 52 in der Tintenkammer 51 auf die Seite der Siebelektrode 54 transportiert wurde, so daß die Tinte 9 das Rückschlagventil 55 nach oben drückt. Außerdem wandert die Tinte 9 durch die zweite poröse Membran 56 in die Mischkammer 14a. Die Menge an Tinte 9, die in die Mischkammer 14a wandert, kann durch die Strommenge, die zwischen den Siebelektroden 53 und 54 fließt, genau gesteuert werden. In der Praxis läßt sich die durchwandernde Tintenmenge schaltungstechnisch durch die Impulsbreite des an die Siebelektrode 54 angelegten Spannungsimpulses bequem steuern.
Eine vorbestimmte Menge der hindurchwandernden Tinte 9 wird durch den Druck, der durch den Antrieb des piezoelektrischen Elements 3 erzeugt wird, unmittelbar als Tintenmischung bestimmter Dichte aus der Tintenstrahlöffnung 59 ausgespritzt, während sie in der Mischkammer 14a mit dem transparenten Lösungsmittel 7 gemischt wird.
Wenn der Spannungsimpuls an das piezoelektrische Element 3 angelegt wird, wölbt dieses sich, wie dies in Fig. 10C und 11C angedeutet ist. Gleichzeitig wölbt sich auch die mit den piezoelektrischen Element 3 verklebte Wandfläche des Hohlraums 57 für das transparente Lösungsmittel. Dadurch verkleinert sich Fassungsvermögen des Hohlraums 57, so daß in diesem ein Innendruck erzeugt wird. Dieser Innendruck wird in den durch die starken Pfeile in Fig. 10C und 11C dargestellten Richtungen übertragen. Der auf die Seite des Behälters für die transparente Flüssigkeit übertragene Druck wird jedoch durch ein drittes Rückschlagventil 66 blockiert. Der Druck konzentriert sich dann in der Mischkammer 14a und in Richtung der Tintenstrahlöffnung 59, so daß die Tinte wirksam ausgeworfen werden kann. Die Tinte 9 wird aus der Tintenstrahlöffnung 59 in Form einer Säule ausgeworfen, wie dies in Fig. 10C und 11C dargestellt ist.
Das erste Rückschlagventil 55 kann, wie oben erwähnt, den Rückfluß der Tinte verhindern. Insbesondere wenn die Tinte, die mit dem transparenten Lösungsmittel 7 gemischt wurde, ausgeworfen wird, wie dies in Fig. 10C und 11C dargestellt ist, kann das Rückschlagventil 55 verhindern, daß die Tintenmischung oder das transparente Lösungsmittel 7 durch den Druck eines Tintenstrahls durch die zweite poröse Membran 56 auf der Tintenseite gemischt werden. Der Aufbau des Rückschlagventils wurde bereits anhand von Fig. 12 beschrieben.
Wenn der an das piezoelektrische Element angelegte Spannungsimpuls ausgeschaltet wird, nimmt das piezoelektrische Element 3 wieder seine in Fig. 10D und 11D dargestellte ursprüngliche Form an, und der Hohlraum 57 für das transparente Lösungsmittel nimmt wieder sein ursprüngliches Volumen an, so daß der Innendruck in dem Hohlraum 57 absinkt. Dadurch wird das dritte Rückschlagventil 66 geöffnet und das transparente Lösungsmittel 7 in den Hohlraum 57 gezogen. Die ausgestoßene Tintensäule wird an der Tintenstrahlöffnung 59 abgeschnitten. Dabei wird die Tintenmischung in einen Haupt-Tintentropfen 9a und einen Satelliten-Tintentropfen 9b getrennt, die dann ausgeworfen werden. In diesem Zeitpunkt muß die zugemischte Tinte vollständig in dem ausgeworfenen Tintentropfen enthalten sein und darf nicht in dem transparenten Lösungsmittel 7 zurückbleiben, das in den Hohlraum 57 gezogen wird. Zu diesem Zweck muß die Menge der ausgeworfenen Tintenmischung hinreichend größer sein als die zuzumischende Menge an Tinte 9.
Durch Experimente wurde festgestellt, daß das Mischungsverhältnis der Tinte 9, bei dem ein Mischen der Tinte 9 in das transparente Lösungsmittel 7 auf der Seite des Hohlraums 57 verhindert ist, in Abhängigkeit von der Tintenstrahlfrequenz usw. kleiner ist als 50%. Das Tintenmischungsverhältnis sollte vorzugsweise etwa 30% betragen, wenn maximale Dichte ausgegeben wird. Deshalb muß die Dichte der Tinte 9 hinreichend groß gemacht werden, um eine hinreichend große maximale Dichte zu erreichen. Wenn das prozentuale Mischungsgewicht der Tinte 9 30% beträgt, muß Farbe in einer solchen Menge in die Tinte 9 gemischt werden, daß die Druckdichte als Reflexionsdichte größer wird als 1,5.
Der eingezogene Meniskus 60, der aus dem transparenten Lösungsmittel besteht, wird durch Kapillarität wieder in die Tintenstrahlöffnung 59 gefüllt und kehrt dann in den in Fig. 10E und 11E dargestellten Ausgangszustand zurück.
Der Spannungsimpuls, mit dem die Tinte 9 durch Elektroosmose in die Mischkammer 14a gedrückt wird, und der Spannungsimpuls, mit dem die Tinte 9 und das transparente Lösungsmittel 7, die sich in der Mischkammer 14a befinden, ausgestoßen werden, müssen in vorbestimmten Zeitlagen angelegt werden. Um zu verhindern, daß die durch Elektroosmose gestoßene Tinte 9 sich verteilt und auf der Seite des zweiten Rückschlagventils 58 in das transparente Lösungsmittel 7 gemischt wird, wenn Tinte 9 in einer bestimmten Menge eingedrückt wird, muß die Tinte unmittelbar zusammen mit dem transparenten Lösungsmittel 7 ausgestoßen werden. Fig. 14 zeigt ein Beispiel für die zeitliche Beziehung zwischen dem Spannungsimpuls Pa für die Elektroosmose und dem Spannungsimpuls Pb für den Tintenstrahl.
Die Impulsbreite tei der Elektroosmose-Spannungsimpulsfolge Pa wird in Abhängigkeit von der Mischmenge der Tinte 9 geändert in te1, te2, te3. Das Tintenstrahl-Intervall T für die Tinte 9, die Impulsbreite tp der Tintenstrahl-Spannungsimpulsfolge Pb und die Zeitperiode td, in der die Tintenstrahl-Spannungsimpulse Pb nach dem Ausschalten der Elektroosmose- Spannungsimpulse Pa eingeschaltet werden, sind konstant. Die Dichte des gedrucken Punkts, d. h. die Mischmenge der Tinte 9 wird also auf der Basis der vorverlegten oder verzögerten Zeitlage gesteuert, in der die Elektroosmose-Spannungsimpulse Pa eingeschaltet werden. Die Elektroosmose-Spannungsimpulse Pa und die Bewegung der Tinte 9 sind in der Praxis nicht vollständig synchronisiert, letztere ist vielmehr verzögert. Die Verzögerungs zeit, d. h. das Ansprechzeit, ändert sich mit den Eigenschaften des Kopfes und der Tinte. Die Zeitperiode td wird auf einen optimalen Wert gesetzt, der experimentell ermittelt wird.
Das Intervall, in welchem die Elektroosmose-Spannungsimpulse Pa eingeschaltet werden, nachdem die Tintenstrahl-Spannungsimpulse Pb ausgeschaltet wurden, wird in Abhängigkeit von der Zeitlage geändert, in der die Elektroosmose-Spannungsimpulse Pa eingeschaltet werden. Während dieses Intervalls wird transparentes Lösungsmittel 7 in der Nähe der Tintenstrahlöffnung 59 nachgefüllt, wie dies oben beschrieben wurde. Für das Nachfüllen des transparenten Lösungsmittels 7 ist eine bestimmte Zeit tr erforderlich. Diese Zeit tr hängt ab von der Viskosität und der Oberflächenspannung der Tinte 9 und dem Düsendurchmesser des Kopfes. Das Nachfüllen des transparenten Lösungsmittels 7 muß abgeschlossen sein, bevor die Tinte 9 durch den Elektroosmose-Prozeß in die Mischkammer 14a gedrückt wird. Deshalb muß das Zeitintervall tx größer sein als das Zeitintervall tr. Obwohl die Impulsbreite tei der Elektroosmose-Spannungsimpulse Pa auf einem Maximum gehalten wird, wird das Intervall tx zu einem Minimum, und das Intervall tx wird dann auf einen Wert gesetzt, der größer ist als der Wert des Intervalls tr.
Wie oben bereits beschrieben wurde, sind die Tinte 9 und das transparente Lösungsmittel 7a durch die zweite poröse Membran 56 voneinander getrennt. Dadurch wird verhindert, daß sie sich durch Diffusion miteinander natürlich vermischen. Somit kann verhindert werden, daß die Tinte 9 und das transparente Lösungsmittel 7 sich beim Drucken nutzlos miteinander vermischen. Selbst wenn die Tinte 9 und das transparente Lösungsmittel 7 während einer langen Zeitspanne belassen werden und sich durch die zweite poröse Membran 56 miteinander natürlich vermischen, verhindern das erste und das zweite Rückschlagventil 55 bzw. 58, daß die Tinte 9 und das transparente Lösungsmittel 7 mehr und mehr diffundieren. Wenn der Druckkopf nicht in Gebrauch ist, befinden sich die Tinte 9 und das transparente Lösungsmittel 7 grundsätzlich und konstant in einem Zustand, in dem sie sich in dem Abschnitt, der von dem ersten und dem zweiten Rückschlagventil 55 und 58 begrenzt wird, miteinander natürlich vermischen können. Deshalb muß die Tintenmischung, die sich sandwichartig zwischen dem ersten und dem zweiten Rückschlagventil 55 und 58 befindet, entladen werden. Das Entladen der Tintenmischung findet in dem von dem zweiten Rückschlagventil 58 und der zweiten porösen Membran 56 eingefaßten Bereich statt und geschieht dadurch, daß das piezoelektrische Element 3 so oft wie nötig betätigt wird. Dadurch wird die Tintenmischung in diesem Bereich durch transparentes Lösungsmittel 7 ersetzt. Die Tintenmischung in dem von dem ersten Rückschlagventil 55 und der zweiten porösen Membran 56 begrenzten Bereich wird durch Elektroosmose in die Mischkammer 14a ausgestoßen, während sie durch das Betätigen des piezoelektrischen Elements 3 entladen wird. Bei der oben beschriebenen Operationsfolge wird der Bereich zwischen dem ersten Rückschlagventil 55 und der zweiten porösen Membran 56 durch die Tinte 9 ersetzt, und der Bereich zwischen dem zweiten Rückschlagventil 58 und der zweiten porösen Membran 56 wird durch das transparente Lösungsmittel 7 ersetzt und dadurch der Druckkopf in den Druckbereitschaftsmodus gesetzt.
Eine weitere Aufgabe der zweiten porösen Membran 56 besteht darin, sehr kleine Tintenmengen zu dosieren. Wie Fig. 15 zeigt, wandert die Tinte 9 durch sehr kleine Poren der zweiten porösen Membran 56, so daß sie in sehr kleinen Mengen in die Mischkammer 14a gedrückt werden kann. Die zweite poröse Membran 56 kann durch eine Platte 56a ersetzt werden, die Löcher mit sehr kleinem Durchmesser hat, wie dies in Fig. 16 dargestellt ist. Der Durchmesser dieses sehr kleinen Lochs wird passend im Bereich von 0,5 um bis 2 um gewählt. Solche kleinen Löcher können z. B. nach dem Excimer-Laserverfahren erzeugt werden, indem Laserstrahlen auf eine dünne Folie aus Edelstahl mit einer Dicke von 3 um gerichtet werden.
Auch in diesem Fall besteht die Aufgabe des Lochs darin, zu verhindern, daß Tinte 9 und transparentes Lösungsmittel 7 sich nutzlos miteinander vermischen, und sehr kleine Tintenmengen zu dosieren.
Die erste poröse Membran 52 kann aus einem sogenannten mikroporösen Membranfilter bestehen. Als Material hierfür kann ein Werkstoff aus der Zellulosegruppe verwendet werden, wie Nitrozellulose, Acetylzellulose, regenerierte Zellulose oder dgl., ferner Kunststoffe, wie Polytetrafluorethylen, Polykarcarbonat, Polyamid, Polyethylen oder dgl., oder Keramiken wie Glas, Aluminiumoxid usw.. Diese Materialien müssen so beschaffen sein, daß sie von der benutzten Tinte 9 nicht aufgebläht oder beschädigt werden und die elektroosmotische Wanderung der Tinte 9 ermöglichen.
Was die Tinte 9 betrifft, so können sowohl Tinten auf Wasserbasis als auch Tinten auf Nichtwasserbasis benutzt werden. Die Tinten auf Wasserbasis bewirken Elektrolyse, so daß die Treiberspannung auf einen Werte gesetzt werden muß, der kleiner ist als die Elektrolysespannung (etwa 1 V). Deshalb kann Tinte auf Wasserbasis die Geschwindigkeit der Elektroosmose nicht vergrößern und sollte deshalb vorzugsweise nicht benutzt werden. Zu bevorzugen ist Tinte auf Nichtwasserbasis, die als Ölbasis-Tinte bekannt ist. Diese Ölbasis- Tinte muß jedoch elektroosmotische Eigenschaften für die erste poröse Membran 52 haben. Wenn die erste poröse Membran 52 z. B. aus Nitrozellulose besteht, kann eine Tinte benutzt werden, in der quaternäres Ammoniumsalz von Dodecylbenzolsulfosäure in einem Lösungsmittel aus Chlorooctan als Elektrolyt mit einem Gewichtsverhältnis von 1 bis 5% gelöst ist, dem Farbe, ein Benetzungsmittel, ein Träger oder dgl. zugesetzt ist.
Das transparente Lösungsmittel 7 sollte ein Lösungsmittel sein, das ein gegenseitiges Lösen mit der Tinte 9 ermöglicht, oder ein Lösungsmittel, das dies nicht kann. Als Material, das eine gegenseitige Lösung mit der Tinte 9 ermöglicht, kann Chlorooctan benutzt werden, oder Chlorooctan, dem das Benetzungsmittel, der Träger oder dgl. zugemischt sind. Als Lösungsmittel 7, das sich nicht mit der Tinte 9 lösen läßt, kann Wasser benutzt werden, oder Wasser, dem das Benetzungsmittel, der Träger oder dgl. zugemischt ist.
Wenn ein transparentes Lösungsmittel 7 verwendet wird, das sich nicht mit der Tinte 9 löst, diffundiert die Tinte 9 nicht vollständig in das transparente Lösungsmittel 7, so daß letzteres hauptsächlich als Träger dient, der die Tinte 9 auf das (nicht dargestellte) Papier trägt. Das zu druckende Bild wird dann ein Bild, dessen Ton durch die Größenänderung des Tintenpunkts, d. h. der Fläche des Tintenpunkts, ausgedrückt wird. In diesem Fall wird die Tinte 9 nicht in das transparente Lösungsmittel 7 gemischt, so daß verhindert ist, daß die Tinte 9 durch Diffusion natürlich in das transparente Lösungsmittel 7 gemischt wird, oder daß die Tinte 9 in Richtung auf die Seite des Hohlraums 57 für das transparente Lösungsmittel gemischt wird, wenn sie durch Elektroosmose in die Mischkammer 14a gedrückt wird.
Wenn hingegen ein transparentes Lösungsmittel 7 verwendet wird, das sich mit der Tinte 9 löst, diffundiert die Tinte 9 hinreichend gut in das transparente Lösungsmittel 7, und die Dichte des gemischten Tintentropfens wird gleichmäßig. Man erhält deshalb ein Druckbild, dessen Ton durch die Konzentration des Punkts ausgedrückt wird, und gewinnt dadurch eine höhere Bildqualität.
Wenn sich der Druckkopf im Bereitschaftsmodus befindet, ist das transparente Lösungsmittel, das keinen Farbstoff enthält, anders als bei dem herkömmlichen Tintenstrahl-Druckkopf, an der Tintenstrahlöffnung 59 exponiert. Wenn das transparente Lösungsmittel 7 z. B. reines Wasser ist, wird der Farbstoff, anders als beim Stand der Technik, nicht durch Verdunstung des Tintenlösungsmittels oder dgl. abgeschieden und in seiner Viskosität verändert. Die Wahrscheinlichkeit, daß die Tintenstrahlöffnung 59 verstopft wird, ist deshalb erheblich geringer, was ein großer Vorteil des Druckkopfes gemäß der Erfindung ist.
Die metallischen Siebelektroden 53, 54 sollten vorzugsweise aus einem Metall bestehen, das nicht nutzlos mit Materialien in der Tinte 9 reagiert. Die metallischen Siebelektroden 53, 54 können hergestellt werden, indem ein Eisensieb mit einer Dicke von 50 um und einem Teilungsabstand von 100 um durch Nickelplatierung und dann weiter durch Platin-, Goldplatierung oder dgl. behandelt wird. Alternativ können die Vorder- und Rückseite der ersten porösen Membran 52 durch direkte Ablagerung z. B. von Gold, behandelt werden und dann als Elektroden dienen.
Die zweite poröse Membran 56 ist so ausgebildet, daß sie, wie oben beschrieben, die Diffusions- und Mischgeschwindigkeiten der Tinte 9 und des transparenten Lösungsmittels 7 verzögert und dadurch verhindert, daß die Tinte 9 und das transparente Lösungsmittel 7 nutzlos miteinander vermischt werden, so daß die Tinte 9 in sehr kleinen Mengen dosiert wird. Als Material für die zweite poröse Membran 56 können Kunststoffe wie Polytetrafluorethylen (unter dem Handelsnamen Teflon erhältlich), Polyethylen, Polyamid oder dgl., Zellulosen wie Nitrozellulose, Acetylzellulose, regenerierte Zellulose oder dgl. und Keramiken, wie Glas, Aluminiumoxid oder dgl. benutzt werden. Ähnlich wie bei der ersten porösen Membran 52 muß auch bei der zweiten porösen Membran 56 verhindert werden, daß sie durch die Tinte 9 und das transparente Lösungsmittel 7 beschädigt und aufgebläht wird. Falls Kunststoffe eingesetzt werden, bevorzugt man deshalb solche Kunststoffe, wie Teflon oder dgl., die gegen Lösungsmittel resistent sind. Auch Keramikmaterialien, wie Glas, Aluminiumoxid oder dgl. sind geeignet. In diesem Fall benötigen diese Materialien keine Elektroosmose. Der Öffnungsdurchmesser der porösen Membran liegt je nach den Zusammensetzungen der Tinte 9 und des transparenten Lösungsmittels 7 und mit Rücksicht darauf, daß ihre Vermischung verhindert werden kann oder daß sie durch die zweite poröse Membran 56 hindurchwandern können, vorzugsweise im Bereich von 0,1 um bis 10 um oder noch besser im Bereich von 0,5 um bis 2 um.
Das Material des Druckkopfkörpers muß gegen die in der Tinte 9 verwendeten Lösungsmittel und das transparente Lösungsmittel 7 resistent sein. So kann der Druckkopfkörper beispielsweise aus Kunststoff, wie Polyethylen, Polypropylen, Polytetrafluorethylen oder dgl., aus Keramikmaterialien, wie Glas, Aluminiumoxid oder dgl. oder aus Metall, wie Edelstahl oder dgl., hergestellt sein.
Fig. 17 zeigt ein Beispiel für den Aufbau eines Farb-Tintenstrahldrucker mit dem oben beschriebenen Tintenaufzeichnungskopf.
Wie Fig. 17 zeigt, sind an einer Vorschubspindel 172 Köpfe 171Y, 171 M, 171 C und 171BK mit den Farben Gelb, Magenta, Zyan bzw. Schwarz angeordnet. Ein Papierblatt 173 ist um eine Trommel 174 gewickelt und an dieser befestigt. Während die Trommel 174 von einem Motor 175 über einen Riemen 175bB bewegt wird, spritzt der Kopf 171 Tintentropfen der betreffenden Farben mit vorbestimmten Dichten auf das Papier 173, um ein Bild oder dgl. zu drucken. Das Bild wird in diesem Fall spiralförmig aufgebaut. Alternativ kann der Kopf 171 auch pro Umdrehung der Trommel 174 schrittweise um eine Zeile bewegt werden.
Der vorangehend beschriebene Tintenaufzeichnungskopf läßt sich auch zu einer sog. Mehrkopfstruktur mit mehreren Tintenstrahlöffnungen modifizieren. In diesem Fall sind nur die Teile, welche die Tinte durch den Elektroosmose-Prozeß fördern, als Mehrfachkopfanord nung ausgebildet, während andere Teile, die das transparente Lösungsmittel ausspritzen, eine gemeinsame Struktur bilden können. Das heißt die Tintendichte pro Punkt kann durch den Elektroosmose-Prozeß gesteuert werden, wobei mehrere Tintenpunkte oder alle Tintenpunkte simultan ausgestoßen werden können. Das Ausstoßen der Tinte muß also nicht notwendigerweise für jeden Punkt gesteuert werden.
Es ist auch möglich, den Kopf so auszubilden, daß in ihm drei Tintensorten, wie gelbe Tinte, zyanfarbene Tinte und magentafarbene Tinte in ein und der selben Düse gemischt und dann ausgespritzt werden. Wenn ein neutraler Farbton erzeugt wird, geschieht dies im allgemeinen durch eine Kombination von Druckpunkten der entsprechenden Farben. Bei diesem Kopf kann ein spezieller neutraler Farbton als Farbpunkteinheit erzeugt werden. Wenn die jeweiligen Farben mit unabhängigen Köpfen aufgezeichnet werden, benötigt man eine sehr genaue mechanische Justierung (mit einem Fehler von etwa 30 um bei einer Auflösung von 400 DPI (dot per inch)), um sogenannte Farbabschattungen zu vermeiden. Eine solche mechanische Justierung ist bei diesem Kopf nicht erforderlich.
Der in der beschriebenen Weise aufgebaute Tintenaufzeichnungskopf hat folgende Vorteile:
1. Da eine Hochtonaufzeichnung in Pixeleinheiten möglich ist, hat man den Vorteil, daß eine kontinuierliche Tonaufzeichnung mit hoher Auflösung möglich ist. Die Dichte kann mit der Einheit eines Punkts vergrößert werden, was bei dem Stand der Technik unmöglich war.
2. Der hochgenaue Tintendosiermechanismus läßt sich einfach aufbauen. Das heißt, durch die effektive Nutzung der Elektroosmose kann die Tintendosierpumpe durch einfaches Kombinieren der porösen Membranen und der Elektroden aufgebaut werden. Da die durchwandernde Tintenmenge nur der zwischen den Elektroden fließenden Strommenge proportional ist, kann Tinte selbst in sehr geringer Menge genau dosiert werden. Der oben beschriebene Tintenaufzeichnungskopf kann problemlos als Mehrkopftyp modifiziert werden.
3. Bei diesem Tintenaufzeichnungskopf ist ein Stocken der Tinte kaum möglich. Bei herkömmlichen Tintenstrahl-Druckköpfen liegt die Tinte an der Tintenstrahlöffnung offen, so daß das Problem auftritt, daß die Tinte an der Öffnung durch Verdunsten des Tintenlösungsmittels ausgefällt wird und dadurch die Tinte stockt, wenn der Tintenstrahl-Druckkopf längere Zeit nicht benutzt wird. Da bei dem Tintenkopf gemäß der Erfindung das transparente Lösungsmittel an der Tintenstrahlöffnung exponiert ist, die Tinte hingegen nicht exponiert ist, wenn der Tintenaufzeichnungskopf sich im Bereitschaftsmodus befindet, besteht hier keine Gefahr, daß die Tinte durch das Ausfällen des Farbstoffs stockt. Wie oben bereits beschrieben wurde, ist selbst dann, wenn die Tinte auf natürlichem Wege in das transparente Lösungsmittel gemischt wird, die Dichte der an der Öffnung exponierten Tintenmischung erheblich kleiner als beim Stand der Technik. Deshalb ist die Wahrscheinlichkeit gering, daß die Tinte stockt. Wenn darüber hinaus wie beim Stand der Technik für den Kopf eine Kappe benutzt wird, kann das Stocken der Tinte noch zuverlässiger verhindert werden.
Anhand der folgenden Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben, bei denen an der Tintenzuführungsöffnung der Mischkammer 14a des Tintenstrahl- Druckkopfs von Fig. 10 und 11 ein Öffnungs- und Schließmechanismus vorgesehen ist, der ein natürliches Vermischen der Tinte 9 und des transparenten Lösungsmittels 7 verhindert.
Fig. 18 bis 32 zeigen die Strukturen und die Wirkungsweise der Ausführungsbeispiele der Erfindung. Fig. 18A und 18B zeigen die Grundstrukturen der Ausführungsbeispiele der Erfindung.
An der Tintenzuführungsöffnung, durch welche die Tinte 9 der mit dem transparenten Lösungsmittel 7 gefüllten Mischeinheit 14a zugeführt wird, ist eine Öffnungs- und Schließeinheit 71 vorgesehen, die als Öffnungs- und Schließmechanismus dient. In dem in Fig. 18A dargestellten Bereitschaftsmodus des Druckkopfes ist die Öffnungs- und Schließeinheit 71 geschlossen, um zu verhindern, daß Tinte 9 in das transparente Lösungsmittel 7 gemischt wird. Wenn die Tinte 9 in das transparente Lösungsmittel 7 gemischt wird, wie dies in Fig. 18B dargestellt ist, ist die Öffnungs- und Schließeinheit 71 geöffnet. Wenn die Tintenmischung ausgeworfen wird, während die Öffnungs- und Schließeinheit 71 geschlossen ist, kann verhindert werden, daß die Tinte 9 und das transparente Lösungsmittel 7 durch die Änderung des Tintenstrahldrucks nutzlos vermischt werden. Wenn die Betätigung der Öffnungs- und Schließeinheit 71 analog gesteuert wird oder wenn Pulsbreitenmodulation benutzt wird, kann die Öffnungs- und Schließeinheit 71 darüber hinaus auch die Tintendosierfunktion ausüben. In diesem Fall wird die Tinte 9 mit einem bestimmten konstanten Druck zugeführt.
Fig. 19 bis 28 zeigen Beispiele für verschiedene Strukturen der Öffnungs- und Schließeinheit 71. In dem Beispiel von Fig. 19 und 20 liegen ein Ventilsitz 72 und ein piezoelektrisches Element 73 einander gegenüber. Durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden 73a des piezoelektrischen Elements 73 ändert sich die Dicke t des piezoelektrischen Elements 73, so daß der Abstand zwischen dem piezoelektrischen Element 73 und dem Ventilsitz 72 geändert und dadurch der Weg, über den die Tinte 9 fließt, geöffnet und geschlossen wird. Anstelle des piezoelektrischen Elements 73 kann auch ein magnetostriktives Element verwendet werden.
In dem Beispiel von Fig. 21 bis 24 wird eine in dem Ventilsitz 72 vorgesehene durchgehende Bohrung 72a durch das Verbiegen des piezoelektrischen Elements 73 geöffnet und geschlossen. Wenn die Änderung der Dicke t des piezoelektrischen Elements 73 ausgenutzt wird, wie dies in Fig. 19 und 20 dargestellt ist, muß das piezoelektrische Element 72 groß sein, da die Änderung der Dicke t sehr gering ist. In den Beispielen von Fig. 21 bis 24 werden monomorphe bzw. bimorphe Elemente benutzt. Wenn ein monomorphes Element benutzt wird, bei dem auf einer Fläche des piezoelektrischen Elements 73 ein Metallteil 74 aufgeklebt ist, wie dies in Fig. 23 dargestellt ist, oder wenn ein bimorphes Element benutzt wird, bei dem auf beide Flächen des Metallteils 74 ein piezoelektrisches Element 73 aufgeklebt ist, wie dies in Fig. 24 dargestellt ist, kann die Durchbiegung des piezoelektrischen Elements 73 vergrößert werden.
In dem Beispiel von Fig. 25 und 26 wird eine Wechselspannung an die Elektrode 73a des piezoelektrischen Elements 73 von Fig. 19 und 20 angelegt, so daß das piezoelektrische Element 73 eine Ultraschallschwingung ausführt und dadurch den Tintenflußweg öffnet und schließt. In diesem Fall können die Tinte 9 und das transparente Lösungsmittel 7 leicht miteinander vermischt werden. Dieser Effekt ist insbesondere dann wirksam, wenn keine Affinität zwischen der Tinte 9 und dem transparenten Lösungsmittel 7 besteht. Wenn bei dem Beispiel von Fig. 21 und 22 eine solche Ultraschallvibration angewendet wird, lassen sich ähnliche Wirkungen erzielen.
In dem Beispiel von Fig. 27 ist das piezoelektrische Elements 3, das zum Austreiben der Tinte dient, mit einem Ende fest eingespannt, wie dies in Fig. 10 dargestellt ist, während das andere Ende als freies Ende in die Tintenzuführungsöffnung ragt. Fig. 27 zeigt das Beispiel, bei dem die bimorphe oder monomorphe Struktur als piezoelektrisches Element zum Austreiben der Tinte benutzt wird. Bei der Vorbereitung des Auswerfvorgangs wird das piezoelektrische Element mehr und mehr gekrümmt, so daß zwischen ihm und dem Ventilsitz 72 ein Abstand erzeugt wird, wie dies in Fig. 27 durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist. Deshalb gelangt die Tinte 9 in die Mischeinheit 14a, in der sie dem transparenten Lösungsmittel 7 zugemischt wird. Wenn die Tinte 9 ausgeworfen wird, kehrt das piezoelektrische Element 3 rasch in den ursprünglichen Zustand zurück, der in Fig. 27 mit durchgezogenen Linien dargestellt ist, so daß die Flüssigkeitsmischung durch den von der Rückkehrbewegung des Elements 3 verursachten Druck ausgetrieben wird. Da die Öffnungs- und Schließeinheit 71 in diesem Stadium geschlossen ist, wird verhindert, daß die Tinte 9 und das transparente Lösungsmittel 7 sich natürlich vermischen. Fig. 28 zeigt ein Zeitdiagramm für den Öffnungs- und Schließvorgang der Öffnungs- und Schließeinheit 71 und das Auswerfen der Flüssigkeitsmischung. Das heißt, die Öffnungs- und Schließeinheit 71 ist, wie in Fig. 28 gezeigt, nur während der Zeit geöffnet, in der die Tinte 9 und das transparente Lösungsmittel 7 gemischt werden. Wenn die Tintenmischung entladen wird oder der Druckkopf sich im Bereitschaftsmodus befindet, ist die Öffnungs- und Schließeinheit 71 geschlossen.
Fig. 29 zeigt den Fall, daß die Düse 14 als Mehrfachdüse ausgebildet ist. In Tintenzuführungswegen 76 sind jeweils konvexe Teile eines kammförmigen piezoelektrischen Elements 75 angeordnet, um die Öffnungs- und Schließeinheiten 71 zu öffnen und zu schließen. Auf den Ober- und Unterseiten des piezoelektrischen Elements 75 befinden sich Elektroden. Wenn auf einer Seite eine gemeinsame Elektrode angeordnet ist und die andere Seite in den einzelnen konvexen Abschnitten getrennt ist, können die betreffenden Tintenzuführungswege 76 unabhängig voneinander geöffnet und geschlossen werden. Wenn auf beiden Seiten gemeinsame Elektroden angeordnet sind, können alle Tintenzuführungswege 76 gleichzeitig geöffnet und geschlossen werden. In Fig. 29 bezeichnet das Bezugszeichen 77 einen Durchflußweg für das transparente Lösungsmittel.
Fig. 30 und 31 zeigen Beispiele, bei denen die Mischeinheit 14a mehrere Tintenzuführungsöffnungen aufweist, um Tinten von zwei Farben gleichzeitig zu mischen und auszustoßen. Auf einer Seite des piezoelektrischen Elements 75 sind Elektroden angeordnet, die den Düsen entsprechen, während auf der anderen Seite des piezoelektrischen Elements 75 über jeder Düse zwei gemeinsame Elektroden angeordnet sind, die zwei Farben A und B entsprechen. Die Zeit, in der die Öffnungs- und Schließeinheiten 71 in geöffnetem Zustand gehalten werden, wird von einem Signal 78 in Abhängigkeit von der Tintenmischmenge für die einzelnen Düse gesteuert. Nachdem in dem Beispiel von Fig. 30 die Tinte der Farbe A mit Hilfe eines Farbumschalters 79 in das transparente Lösungsmittel gemischt wurde, wird der Farbumschalter 79 auf die Seite der Farbe B umgeschaltet, so daß die Tinte der Farbe B in das transparente Lösungsmittel gemischt wird, in das zuvor der Tinte der Farbe A gemischt wurde. Das heißt, nachdem die Tinte der Farbe A in das transparente Lösungsmittel gemischt ist, wird die Tinte der Farbe B in das transparente Lösungsmittel gemischt und die Tintenmischung dann ausgeworfen. Die Öffnungs- und Schließeinheit 71 dient auch als Tintendosiereinheit. Wenn die Tintendosiereinheit getrennt vorgesehen ist, können alle Öffnungs- und Schließeinheiten simultan geöffnet und geschlossen werden. Wenn die separat vorgesehenen Tintendosiereinheiten so ausgebildet sind, daß sie die Tinten der einzelnen Farben sequentiell dosieren, sind die Elektroden für die einzelnen Düsen gemeinsam, und die Farbumschaltelektroden können leicht gesteuert werden.
Fig. 31 zeigt ein Beispiel, bei dem die Öffnungs- und Schließeinheiten 71 Ventile besitzen, die in Resonanz schwingen können, wobei die Resonanzfrequenzen für die einzelnen Farben unterschiedlich sind. In diesem Beispiel werden die Resonanzfrequenzen durch Ändern der Längen der betreffenden Ventile variiert. Wie Fig. 32 zeigt, wird für die Farbe A, z. B. eine niedrige Frequenz als Signal an das piezoelektrische Element 75 angelegt, wenn nur die Tinte der Farbe A zugemischt wird, während für die Farbe B z. B. eine hohe Frequenz als Signal an das piezoelektrische Element 75 angelegt wird, wenn die Tinte der Farbe B zuge mischt wird. Die Mischmenge wird durch die Dauer der wellenförmigen Signals gesteuert. Es können auch Signale mit Frequenzen, die mehreren Farben entsprechen, überlagert und gleichzeitig an das piezoelektrische Element 75 angelegt werden. Es kann auch vorgesehen sein, daß das Ventil selbst keine Resonanzfunktion hat und stattdessen ein Ventil mit einer Resonanzstruktur durch ein piezoelektrisches Element oder dgl. von außen zur Resonanz gebracht werden kann. Die Zahl der Farben ist natürlich nicht auf zwei beschränkt.
Im folgenden wird das in den vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen benutzte piezoelektrische Element näher erläutert. Das piezoelektrische Element ist ein Stellglied, bei dem Keramiken mit piezoelektrischen Eigenschaften benutzt werden. Es besteht typischerweise aus Bleizirkonattitanat (PZT). Das bimorphe Element wird hergestellt, indem zwei Platten dieser piezoelektrischen Keramik miteinander verklebt werden. Es kann auf der Basis des Verbindungsverfahrens klassifiziert werden als bimorphes Element vom Serientyp, wie es in Fig. 33A und 33B dargestellt ist, oder als bimorphes Element vom Paralleltyp, wie es in Fig. 34A und 34B dargestellt ist. Bei dem in Fig. 33A, 33B dargestellten bimorphen Element vom Serientyp wird eine Spannung zwischen zwei Keramikplatten 81, 82 angelegt. Bei dem in Fig. 34A, 34B dargestellten bimorphen Element vom Paralleltyp befindet sich zwischen den beiden Keramikplatten 81, 82 eine elastische Platte 83, wobei die Keramikplatten 81, 82 durch eine Metallfolie 84 miteinander verbunden sind. Zwischen die Keramikplatte 81 und die elastische Metallplatte 83 wird eine Spannung angelegt. In Fig. 33A, 33B und Fig. 34A, 34B zeigen Pfeile die Polarisationsrichtungen an.
Fig. 35 und 36 zeigen ein Beispiel für einen Tintenstrahl-Druckkopf mit einem bimorphen Element 91 vom Serientyp, das in dem Tintenstrahl-Druckkopf von Fig. 10 benutzt wird. Das bimorphe Element 91 hat eine Struktur, bei der eine Elektrode 92, eine Keramikplatte 93, eine Elektrode 94, eine Keramikplatte 95 und eine Elektrode 96 in dieser Reihenfolge miteinander verbunden sind. Die Polarisationsrichtungen der Keramikplatten 93, 95 sind einander entgegengesetzt. Ihre Verbindungsleitungen sind mit 97, 98 bezeichnet. Das bimorphe Element 91 wird durch Anlegen einer Spannung an die Verbindungsleitungen 97, 98 verformt.
Fig. 37 und 38 zeigen ein Beispiel, bei dem das bimorphe Element 91 von Fig. 35 und 36 in einer anderen Position angeordnet ist. In diesem Beispiel wird die Elektrode 92 mit dem transparenten Lösungsmittel 7 in Kontakt gebracht. Deshalb besteht die Elektrode 92 aus einem inerten Metall, wie Gold, Platin oder dgl.. Die Elektrode 92 ist vorzugsweise eine Platte aus Gold, Platin oder dgl..
Fig. 39 und 40 zeigen ein Beispiel, bei dem das bimorphe Element durch ein piezoelektrisches Element mit einer Einzelschichtstruktur ersetzt ist. Das piezoelektrische Element 3 ist auf einem Diaphragma 99 aus Edelstahl oder dgl. aufgeklebt, und die Verbindungsleitungen 97, 98 sind mit dem Diaphragma 99 bzw. der Elektrode 3a des piezoelektrischen Elements 3 verbunden. Wenn an die Verbindungsleitungen 97, 98 eine Spannung angelegt wird, verbiegen sich das Diaphragma 99 und das piezoelektrische Element 3, so daß das transparente Lösungsmittel 7 ausgeworfen wird.
Fig. 41 zeigt ein Blockdiagramm eines Beispiels für die Schaltungsanordnung der Treiberschaltung, welche die in Fig. 14 dargestellten Spannungsimpulse liefert.
Wenn der Treiberschaltung von einem (nicht dargestellten) anderen Schaltungsblock digitale Halbtondaten zugeführt werden, werden diese digitalen Halbtondaten, wie in Fig. 41 dargestellt, über eine Datentransferschaltung 101 zu einem Treiber 103 für die Tintendosiereinheit übertragen. Beim Drucken liefert ein anderer (nicht dargestellter) Schaltungsblock ein Druck-Auslösesignal, das von einer Zeitsteuerschaltung 102 detektiert wird. Die Zeitsteuerschaltung 102 liefert dann in bestimmten Zeitlagen ein Aktivierungssignal für die Tintendosiereinheit und ein Aktivierungssignal für das Auswerfen des transparenten Lösungsmittels an den Treiber 103 der Tintendosiereinheit bzw. den Treiber 104 für das Auswerfen des transparenten Lösungsmittels. Diese Signale werden in den in Fig. 14 dargestellten Zeitlagen ausgegeben.
Der Treiber 103 für die Tintendosiereinheit steuert eine Tintendosiereinheit 105 auf der Basis des Aktivierungssignals der Tintendosiereinheit, wodurch der Tintenöffnung Tinte in einer vorbestimmten Menge mit einem durch den Elektroosmose-Prozeß bewirkten Druck zugeführt wird. Auf der anderen Seite steuert der Treiber 104 für die Einheit zum Auswerfen des transparenten Lösungsmittels auf der Basis des Aktivierungssignals zum Auswerfen des transparenten Lösungsmittels, das gegenüber dem Aktivierungssignal der Tintendosiereinheit um eine vorbestimmte Zeit verzögert ist, die Auswurfeinheit 106 für das transparente Lösungsmittel. Auf diese Weise werden das transparente Lösungsmittel und die Tinte ausgeworfen, während sie miteinander vermischt werden.
Da die Mischeinheit, wie oben beschrieben, erfindungsgemäß in der Nähe der Düse angeordnet ist, die mit der Flüssigkeitskammer in Verbindung steht, in die das transparente Lösungsmittel als Trägerflüssigkeit gefüllt wird, und die Flüssigkeitsmischung von der Tintenstrahl-Antriebseinrichtung ausgeworfen wird, kann ein Verstopfen verhindert werden, so daß die Wartung sehr einfach wird. Da außerdem die Justiereinrichtung zum Justieren der Tintenmischmenge vorgesehen ist, ist Halbton-Drucken mit hoher Qualität möglich.
Da weiterhin mehrere Justiereinrichtungen vorgesehen sind, wird simultanes Drucken in voller Farbe möglich. Da außerdem mehrere Düsen vorgesehen sind, die mit der Flüssig keitskammer in Verbindung stehen, kann der Zeilenkopf nach dem Mehrfachdüsensystem konstruiert werden, so daß problemlos mit hoher Geschwindigkeit gedruckt werden kann.
Da weiterhin vor und hinter dem Tintenzuführungsweg und der Flüssigkeitskammer das Rückschlagventil und die porösen Membranen vorgesehen sind, kann verhindert werden, daß die Tinte und das transparente Lösungsmittel sich miteinander natürlich vermischen. Auch die Dosierung der zugeführten Tintenmenge kann sehr genau gesteuert werden, so daß eine Aufzeichnung mit kontinuierlicher Gradation und hoher Auflösung möglich wird.
Da der Öffnungs- und Schließmechanismus an der Tintenzuführungsöffnung zu der Mischeinheit angeordnet ist, kann mit größerer Zuverlässigkeit verhindert werden, daß die Tinte und das transparente Lösungsmittel sich miteinander natürlich vermischen. Außerdem kann die Tintendichte sehr genau gesteuert werden.

Claims

1. Tintenstrahl-Druckkopf mit

einer Flüssigkeitskammer (2), in die eine Trägerflüssigkeit (7) gefüllt wird, einer Düseneinrichtung (14) mit einer ersten Einlaßöffnung, die mit der Flüssigkeitskammer (2) in Verbindung steht, und einer Tintenstrahl-Ausspritzöffnung,

einer Mischeinheit (11, 14a, 52) zum Zumischen einer Tinte (9) zu dem Träger (7), einer in der Flüssigkeitskammer angeordneten Strahlantriebseinrichtung (3, 4) zum Austreiben der Tinte und des Trägers durch die Düse,

und einer von der ersten Einlaßöffnung getrennten zweiten Einlaßöffnung zum Einspritzen von Tinte in die Düseneinrichtung und damit zur Bildung der Mischeinheit in der Düseneinrichtung,

dadurch gekennzeichnet,

daß das Fassungsvermögen im Innern der Düseneinrichtung (14) so gewählt ist, daß sie dem Volumen eines ausgespritzten Tintenpartikels (15) oder eines ausgespritzten Flüssigkeitspartikels, das keine Tinte enthält, äquivalent ist, so daß zwischen zwei aufeinanderfolgenden ausgespritzten Partikeln im wesentlichen keine Störung bezüglich der Tintendichte auftritt.

2. Tintenstrahl-Druckkopf nach Anspruch 1, ferner mit einer steuerbaren Sperreinrichtung (55), die zwischen der zweiten Einlaßöffnung und der Düseneinrichtung wirksam ist, um einen Rückfluß von Tinte (9) in Richtung auf die Tintenkammer (51) zu verhindern.

3. Tintenstrahl-Druckkopf nach Anspruch 2, bei dem die Mischeinheit (11, 14a, 52) an dem Kreuzungspunkt der Einrichtung (5, 6) zum Einbringen des Trägers und der Einrichtung (11, 12, 13) zum Einbringen der Tinte angeordnet ist.

4. Tintenstrahl-Druckkopf nach Anspruch 1, ferner mit einer Justiereinrichtung zum Justieren der Menge, in der die Tinte (9) in der Mischeinheit (11) der Trägerflüssigkeit (7) zugemischt wird.

5. Tintenstrahl-Druckkopf nach Anspruch 4, bei dem die Justiereinrichtung mehrere Justiereinheiten aufweist, die jeweils die Mischmengen von Tinten mehrerer Farben einstellen.

6. Tintenstrahl-Druckkopf nach Anspruch 5, bei dem die Justiereinheit eine Einheit für eine konstante Menge an elektroosmotischer Tinte ist, die in Abhängigkeit von einem Steuersignal der Mischkammer eine kontrollierte Menge an Tinte zuführt, wobei diese Einheit mit Hilfe von ineinandergreifenden Elektroden (12, 13) steuerbar ist, an die über eine steuerbare Zeitperiode eine Spannung angelegt wird, um die Menge an Tinte (9) zu steuern, die in der Düseneinrichtung der Trägerflüssigkeit (7) zugemischt wird.

7. Tintenstrahl-Druckkopf nach Anspruch 5 oder 6, bei dem die Düseneinrichtung (14) mehrere Düsen aufweist.

8. Tintenstrahl-Druckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Justiereinrichtung zum Einstellen der Mischmenge eine Elektroosmoseeinheit ist mit einer ersten porösen Membran, die in einem mit der Tinte (9) gefüllten Tintenbehälter (8) angeordnet ist.

9. Tintenstrahl-Druckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner mit einem ersten Rückschlagventil (55), das einen Rückfluß der Tinte (9) verhindert und in einem Tintenzuführungsweg angeordnet ist, der mit dem Tintenbehälter (8) und der Mischeinheit (14) in Verbindung steht.

10. Tintenstrahl-Druckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 9, ferner mit einer zweiten porösen Membran (56), die in einem Verbindungsabschnitt zwischen dem Tintenzuführungsweg und der Mischeinheit (14a) angeordnet ist.

11. Tintenstrahl-Druckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 10, ferner mit einem zweiten Rückschlagventil (18), das zwischen der Flüssigkeitskammer und der Mischeinheit (14a) angeordnet ist.

12. Tintenstrahl-Druckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 11, ferner mit einem dritten Rückschlagventil (66), das am Eingang der Flüssigkeitskammer angeordnet ist.

13. Tintenstrahl-Druckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die in der Flüssigkeitskammer angeordnete Antriebseinrichtung ein bimorphes piezoelektrisches Element (3) ist.

14. Tintenstrahl-Druckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem das bimorphe piezoelektrische Element (3) in der Flüssigkeitskammer (2) mit der Trägerflüssigkeit (7) in Kontakt steht.

15. Tintenstrahl-Druckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die in der Flüssigkeitskammer angeordnete Antriebseinrichtung ein monomorphes piezoelektrisches Element (3) ist.

16. Tintenstrahl-Druckkopf nach Anspruch 1, ferner mit einem an einer Tintenzuführungsöffnung der Mischeinheit angeordneten Öffnungs- und Schließmechanismus (71) zum Einstellen der Mischmenge der Tinte.

17. Tintenstrahl-Druckkopf nach Anspruch 16, bei dem der Öffnungs- und Schließmechanismus einen Ventilsitz (72) und ein piezoelektrisches Element (73) aufweist, wobei der Zwischenraum zwischen diesem und dem Ventilsitz durch Anlegen einer Spannung an das piezoelektrische Element verändert wird.

18. Tintenstrahl-Druckkopf nach Anspruch 16, bei dem der Öffnungs- und Schließmechanismus (71) ein Bestandteil der Antriebseinrichtung ist, die in der Flüssigkeitskammer angeordnet ist und aus dem genannten piezoelektrischen Element besteht.

19. Tintenstrahl-Druckkopf nach Anspruch 16, bei dem der Zwischenraum zwischen dem Ventilsitz (72) und dem piezoelektrischen Element (73) vibrierend geöffnet und geschlossen wird.

20. Tintenstrahl-Druckkopf nach Anspruch 16, bei dem der Zwischenraum zwischen dem Ventilsitz (72) und dem piezoelektrischen Element (73) von der Tintenstrahl-Antriebseinrichtung geöffnet und geschlossen wird.

21. Tintenstrahl-Druckkopf nach einem der Ansprüche 1 und der Ansprüche 13 bis 18 mit mehreren Mischeinheiten (14a), die jeweils einen Öffnungs- und Schließmechanismus (71) besitzen.

22. Tintenstrahl-Druckkopf nach einem der Ansprüche 16, 17 und 21, bei dem Tinten verschiedener Farben mit Hilfe der mehreren Mischeinheiten (14a) im Zeitmultiplex gemischt werden.

23. Tintenstrahl-Druckkopf nach einem der Ansprüche 16, 17 und 21, bei dem die mehreren Mischeinheiten (14a) durch Änderung der Resonanzfrequenzen der jeweiligen in den mehreren Mischeinheiten vorgesehen piezoelektrischen Elemente (73) Tinten mehrerer Farben mischen.

24. Tintenstrahldrucker mit

einer rotierenden Trommel (174), um die ein zu bedruckendes Material gewickelt ist,

einem in axialer Richtung der rotierenden Trommel bewegbar angeordneten Druckkopf (171) und

einer Antriebseinrichtung (175) zum Bewegen des Druckkopfes in axialer Richtung der rotierenden Trommel im Gleichlauf mit der Drehbewegung der rotierenden Trommel, wobei der Druckkopf der Tintenstrahl-Druckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 21 ist.

25. Tintenstrahldrucker nach Anspruch 24, ferner mit einem Antriebsglied (172) zum Drehen der rotierenden Trommel (174) im Gleichlauf mit der Bewegung des Druckkopfes.

26. Tintenstrahldrucker nach Anspruch 24, bei dem der Druckkopf mehrere Köpfe (171 B, C, MY) aufweist, die in axialer Richtung der rotierenden Trommel (174) arrayartig angeordnet sind, wobei die mehreren Druckköpfe Tintenstrahl-Druckköpfe nach einem der Ansprüche 1 bis 21 sind.

27. Verfahren zum Betrieb eines Tintenstrahldruckers mit einem Druckkopf, bestehend aus

einer Flüssigkeitskammer (2), in die eine Trägerflüssigkeit (7) gefüllt wird,

einer Düseneinrichtung (14) mit einer ersten Einlaßöffnung, die mit der Flüssigkeitskammer (2) in Verbindung steht, und einer Tintenstrahl-Ausspritzöffnung,

einer Mischeinheit (11, 14a, 52) zum Zumischen einer Tinte (9) zu dem Träger (7),

einer in der Flüssigkeitskammer angeordneten Strahlantriebseinrichtung (3, 4) zum Austreiben der Tinte und des Trägers durch die Düse,

dadurch gekennzeichnet,