DE69318592T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Unterdrückung von Kapillarwellen in einem Tintenstrahldrucker - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Unterdrückung von Kapillarwellen in einem Tintenstrahldrucker

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft Tintenstrahldrucker und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Unterdrückung von Kapillarwellen in Tintenstrahldruckern, speziell in akustischen Tintenstrahldruckern.
  • Allgemein funktionieren Tintenstrahldrucker in einer der beiden Betriebsarten: kontinuierlich (continuous stream) oder sie geben nach Bedarf Tropfen ab (drop-on- demand). In einer Reihe von USA-Gemeinschaftspatenten, einschließlich US-A-4,719,476 und US-A4,719,480, werden Ultraschall-Druckköpfe genau beschrieben.
  • Darin wird die Erzeugung von Oberflächenkapillarwellen auf der Tintenoberfläche mit unterschiedlichen Mitteln - akustisch, mechanisch, thermisch oder elektrisch - dargestellt, durch die die freiliegende Oberfläche eines bestimmten Volumens flüssiger Tinte bei einer angemessen hohen Erregungsfrequenz fc gestört wird. Wenn die Amplitude dieses Schwingungsdrucks einen kritischen "Einsatz"-Pegel erreicht oder übersteigt, werden auf der freien Oberfläche der flüssigen Tinte eine oder mehrere stehende Kapillarwellen erzeugt. Als Kapillarwellen werden hier Wellen definiert, die sich in einem Bereich auf einer Flüssigkeitsoberfläche entlangbewegen, in dem die Oberflächenspannung der Flüssigkeit einen solch dominierenden Faktor darstellt, daß die Wirkung der Gravitationskräfte auf das Wellenverhalten vernachlässigt werden kann. Zudem wird in diesen Patenten die Erzeugung von Wellen infolge parametrischer Erregung der Flüssigkeit erörtert, durch die deren Frequenz fsc der Hälfte der Erregungsfrequenz entspricht (fsc = fc/2). Die Oberflächenkapillarwellen sind bei niedrigeren Amplituden periodisch und allgemein sinusförmig und behalten bei zunehmender Amplitude zwar ihre Periodizität bei, aber sind nicht mehr sinusförmig.
  • Bei den Systemen der obenerwähnten Patente werden akustische Wandler in die Flüssigkeit eingetaucht, so daß eine stehende Kapillarwelle an der Tintenoberfläche erzeugt wird, und Adressiermechanismen zur Auswahl der Stelle geschaffen, aus denen Tröpfchen ausgegeben werden, wodurch die Oberflächeneigenschaften ausgewählter Spitzen an jenen Stellen lokal verändert werden. So kann beispielsweise der auf die ausgewählten Spitzen wirkende örtliche Oberflächendruck bzw. die lokale Oberflächenspannung der Flüssigkeit innerhalb der ausgewählten Spitzen so verändert werden, daß gesteuert Tröpfchen aus ihnen ausgestoßen werden können.
  • Desweiteren sind akustische Tintenstrahldrucker in dem USA-Gemeinschaftspatent US-A-4,748,461 offenbart. Hierin wird die Erzeugung radial ausgerichteter Kapillarwellen an der Oberfläche der flüssigen Tinte mittels einer Elektrodenanordnung dargelegt. So treten sie kohärent mit den Kapillarwellen in Wechselwirkung, welche durch die fokussierten Ausgangssignale eines in die Flüssigkeit eingetauchten Schallerzeugers entstehen, und es können Tintentröpfchen aus der flüssigen Tinte ausgestoßen werden. Bei dieser Anordnung sind der maximalen Verschiebung der Elektroden von der Mitte der Schallwelle durch die Eindämmung der Kapillarwellen infolge der Flüssigkeitsviskosität Grenzen gesetzt.
  • Weiterhin wurde bei einem akustischen Tintenstrahldrucker festgestellt, daß der Ausstoß von Tröpfchen von der Oberfläche der flüssigen Tinte zur Entstehung von Kapillarwellen führt, die beispielsweise von der Stelle der Flüssigkeitsoberfläche ausstrahlen, von der das Tröpfchen ausgestoßen wurde. Ebenso zeigte sich, daß die Wiederholungsfrequenz der Druckkopfwandler dadurch eingegrenzt wird, daß diese Kapillarwellen abklingen müssen, bevor ein neues Tröpfchen ausgestoßen werden kann.
  • Daher betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erhöhen der Wiederholungsfrequenz des Tröpfchenausstoßes in einem akustischen Tintenstrahldrucker.
  • Sie schafft einen Tintenstrahldrucker gemäß Anspruch 1 und 6 der beiliegenden Ansprüche.
  • Erfindungsgemäß werden Druckwellen an den Tintenbehälter angelegt, die doppelt so groß wie die maximale Wiederholungsfrequenz der Tintentröpfchenemission sind. Dadurch entstehen auf der Tintenoberfläche Kapillarwellen mit der halben Pumpfrequenz, d.h. mit der Frequenz der auf die Tinte einwirkenden Druckwellen, so daß die durch die Tröpfchenemission erzeugten Kapillarwellen stark beeinträchtigt werden. Durch diese destruktive Störung kann eine höhere Wiederholungsfrequenz des Druckkopfwandlers angewandt werden.
  • Erfindungsgemäß entstehen durch das Pumpen Kapillarwellen auf der Flüssigkeitsoberfläche mit der gleichen Frequenz wie jene, die infolge des Tröpfchenausstoßes erzeugt werden, d.h. mit der halben Pumpfrequenz. Diese Wellen können sich gegenseitig entweder konstruktiv oder destruktiv beeinflussen. Ob es zu einer Addition oder einer Subtraktion kommt, hängt von der Phase der Pumpdruckwelle ab. Diese ist erfindungsgemäß an die Phase der Wiederholungsfrequenz des Tröpfchengenerators angeglichen. Mit einem phasenstarren System wird die Auswahl einer Phase ermöglicht, die eine destruktive Interferenz zwischen den beiden Kapillarwellen auf der Flüssigkeitsoberfläche herstellt. Bei einer solchen Phasenwahl nimmt die Amplitude der Kapillarwellen niemals zu.
  • Zudem betrifft die Erfindung das Verfahren zur Unterdrückung dieser unerwünschten Wellen, wie in Anspruch 9 der beiliegenden Ansprüche angegeben ist.
  • Vorzugsweise umfaßt das Verfahren weiterhin den Schritt des Einstellens der relativen Phase eines Ausgangssignals des akustischen Wandlers und den Schritt des Destabilisierens der Tinte solange, bis die durch die Druckwelle erzeugten Kapillarwellen an der Tintenoberfläche destruktiv mit den Oberflächenkapillarwellen zusammenwirken, die durch die Emission eines Tintentröpfchens hervorgerufen werden.
  • Zum besseren Verständnis wird die Erfindung nunmehr anhand der beiliegenden Zeichnung genauer beschrieben, wobei:
  • die einzige Figur eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen akustischen Tintenstrahldrucksystems ist.
  • Herkömmlich weisen Tintenstrahldrucker wie z.B. akustische Tintenstrahldrucker eine Einrichtung zur Aufnahme flüssiger Tinte auf, so daß die Tinte Druckwellen ausgesetzt werden kann. Wie in der Zeichnung erkennbar, ist ein Behälter 10 zum Aufnehmen einer bestimmten Menge flüssiger Tinte 11 mit einer Oberfläche 12 vorhanden. Ein Blatt 13, auf das Daten oder Bilder aufgedruckt werden sollen, ist über der Oberfläche 12 zu dieser beabstandet. Wie weiterhin aus der Zeichnung hervorgeht, sind ein oder mehrere akustische Wandler 14 auf einem in die Tinte eingetauchten Substrat 15 am Boden des Behälters 10 befestigt. Mit konventionellen Treibern 16 werden die Wandler angetrieben, so daß die Tinte bis auf ein anfängliches Energieniveau unterhalb eines Schwellenwertes für die Tröpfchenemission erregt wird, d.h. auf ein Niveau, das zum Destabilisieren der Tintenoberfläche zwecks Tröpfchenemission unzureichend ist. Die akustischen Wandler können konventionelle Einrichtungen aufweisen, mit denen ihre Energie weitgehend auf die Oberfläche 12 der Tinte fokussiert wird.
  • Zudem weisen Tintenstrahldrucker der obigen Art meist eine Tröpfchenemissions- Steuereinrichtung wie z.B. eine an eine Steuerung 21 angeschlossene Elektrodenanordnung 20 auf. Die Elektrodenanordnung kann in die Tinte eingetaucht oder aber über der Tintenoberfläche angebracht sein. Die Steuerung reagiert auf eingehende Daten aus einer Quelle 22 und legt Spannungen an die Elektrodenanordnung 20 an, um so die Oberfläche der flüssigen Tinte selektiv zu destabilisieren und dadurch die Emission von Tintentröpfchen 25 auf das Blatt 13 herbeizuführen.
  • Die obige Beschreibung ist repräsentativ für ein bekanntes Verfahren des Tintenstrahldruckens, und natürlich ist die Erfindung nicht auf diese Anordnung beschränkt. Als Beispiel sei lediglich angeführt, daß der Tintenfluß auf den Bereich der Wandler beschränkt sein kann, und es können auch andere Verfahren wie z.B. das Erwärmen zum Einsatz kommen können, um die Tintenoberfläche selektiv zu destabilisieren. Genauso können andere bekannte Verfahren zum Erzeugen stehender Wellen auf der Tintenoberfläche angewandt werden.
  • Nunmehr wurde festgestellt, daß die Emission von Tröpfchen 25 von der Tintenoberfläche eine Erzeugung von Kapillarwellen auf ihr bewirkt, die vom Ausstoßpunkt ausgehen. Zur Vermeidung einer gegenseitigen Beeinträchtigung zwischen diesen zuletzt angesprochenen Kapillarwellen und der späteren Tröpfchenemission hat es sich als notwendig erwiesen, daß die Kapillarwellen abklingen, bevor das nächste Tröpfchen von jener Stelle ausgestoßen wird. Herkömmlich erfolgt eine Dämpfung nur durch die Viskosität der flüssigen Tinte. Dadurch ist die maximale Wiederholungsfrequenz begrenzt, mit der die Steuerung 21 die Tröpfchenemission regeln kann.
  • Erfindungsgemäß wird eine solche Begrenzung der maximalen Wiederholungsfrequenz der Tröpfchenemission durch die Steuerung der Frequenz und der Phase der Pumpdruckwelle überwunden, die mittels akustischer Wandler erzeugt werden, um Kapillarwellen an der Oberfläche der flüssigen Tinte zu bilden, die auf die Kapillarwellen aus der Tröpfchenemission destruktiv wirken. Eine solche destruktive Interferenz kann erreicht werden, indem die Frequenz der Pumpdruckwelle so gesteuert wird, daß sie doppelt so groß ist wie die maximale Wiederholungsfrequenz der Tröpfchenemission von der jeweiligen Emissionsstelle.
  • Wie in der Zeichnung kann die mittels Steuerung 21 geregelte maximale Wiederholungsfrequenz der Emission durch die Frequenz f des Ausgangssignals eines Taktgebers 30 bestimmt werden. Anders gesagt kann die Steuerung Emissionssignale mit der maximalen Frequenz f oder mit einer niedrigeren periodischen oder aperiodischen Frequenz, die mit den Ausgangszyklen des Taktgebers 30 synchronisiert sind, an die jeweilige Elektrodenanordnung 20 ausgeben.
  • Im weiteren werden die akustischen Wandler 14 durch den Treiber 16 gesteuert, so daß eine Druckwelle mit der Frequenz 2f entsteht. Zur Erzeugung der Druckwelle mit einer solchen Frequenz kann das Frequenzausgangssignal f aus dem Taktgeber 30 zum Weiterleiten an die Treiber 16 verdoppelt werden, beispielsweise in einem konventionellen PLL-Kreis 35. Zum Einstellen der Phase der Treiber 16 kann ein konventioneller einstellbarer Phasenregelkreis 36 angeschlossen werden, z.B. zwischen dem Ausgang des Taktgebers und dem Eingang des PLL-Kreises. Natürlich ist die Erfindung nicht auf dieses Verfahren zum Vervielfachen der ausgegebenen Frequenz des Taktgebers und zum Einstellen der Druckwellenphase beschränkt. Mit dem einstellbaren Phasenregelkreis kann jene Druckwellenphase eingestellt werden, mit der die Kapillarwellen am schnellsten abklingen.
  • Zwar wurde die Erfindung anhand einer einzigen Ausführungsform offenbart und beschrieben, doch liegt es auf der Hand, daß Abwandlungen und Änderungen an ihr vorgenommen werden können, weshalb in den folgenden Patentansprüchen sämtliche derartige Abwandlungen und Änderungen, die in den Schutzumfang der Erfindung fallen, eingeschlossen sind.

Claims (10)

1. Tintenstrahldrucker mit: einer Einrichtung (10) zur Aufnahme flüssiger Tinte (11), so daß eine freiliegende Oberfläche (12) entsteht, einer Einrichtung (14) zur Ausbildung einer Kapillarwelle auf der Oberfläche der flüssigen Tinte in der Aufnahmeeinrichtung sowie einer Steuereinrichtung (21) zum Destabilisieren der Tinte, die der Kapillarwelle ausgesetzt wird, um so den Ausstoß von Tintentröpfchen (25) von der Oberfläche der Flüssigkeit zu erreichen, wobei die Steuereinrichtung (21) Signale mit einer vorgegebenen maximalen Wiederholungsfrequenz ausgibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (14) zur Ausbildung der Kapillarwelle Vorrichtungen (16, 30, 35, 36) umfaßt, mit der eine Druckwelle in der flüssigen Tinte in der Aufnahmeeinrichtung hervorgerufen wird, deren Frequenz doppelt so groß wie die Wiederholungsfrequenz ist, wodurch die beim Tröpfchenausstoß entstehenden Kapillarwellen unterdrückt werden.
2. Tintenstrahldrucker nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung (14) zum Anlegen der Druckwelle an die flüssige Tinte (11) in der Aufnahmeeinrichtung (10) einen akustischen Wandler (14) in der Aufnahmeeinrichtung umfaßt.
3. Tintenstrahldrucker nach Anspruch 1 mit einer Taktgebereinrichtung (30), die zum Steuern der maximalen Wiederholungsfrequenz angeschlossen ist, einer Einrichtung (35), die auf die Taktgebereinrichtung anspricht und ein Steuersignal erzeugt, dessen Frequenz doppelt so groß wie die maximale Wiederholungsfrequenz ist, und einer Einrichtung (16) zum Steuern der Einrichtung (14) zwecks Anlegen der Druckwelle mit dem Steuersignal.
4. Tintenstrahldrucker nach Anspruch 5, der weiterhin eine Einrichtung (36) umfaßt, mit der die relative Phase der Taktgebereinrichtung (30) und der Druckwelle einstellbar gesteuert werden kann.
5. Tintenstrahldrucker nach Anspruch 3, wobei die Einrichtung (35) zum Erzeugen eines Steuersignals einen PLL-Kreis umfaßt.
6. Akustischer Tintenstrahldrucker mit einem akustischen Wandler (14) zum Erzeugen einer Druckwelle in flüssiger Tinte (11) bis zu einem Anfangsniveau unterhalb des Schwellenwertes für die Tröpfchenemission (25) und Einrichtungen (20, 21), mit denen die Emission von Tintentröpfchen von der Oberfläche (12) der flüssigen Tinte herbeigeführt wird, indem die Tinte in einem Bereich selektiv destabilisiert wird, der der Druckwelle ausgesetzt wird, wobei die Tintenemissionseinrichtungen (20, 21) eine Vorrichtung (21) zum Destabilisieren der Tinte in dem Bereich bis zu einer vorgegebenen maximalen Wiederholungsfrequenz umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucker zudem eine Einrichtung (16) zum Erregen des akustischen Wandlers (14) umfaßt, so daß die Druckwelle mit einer Frequenz an die flüssige Tinte angelegt werden kann, die doppelt so hoch wie die Wiederholungsfrequenz ist.
7. Akustischer Tintenstrahldrucker nach Anspruch 6, der weiterhin eine Einrichtung (36) zum Einstellen einer Druckwellenphase hat, die von dem Schallerzeuger (14) zur Destabilisierung der Tinte erzeugt wird.
5. Akustischer Tintenstrahldrucker nach Anspruch 7, der darüber hinaus einen Taktgenerator (30) umfaßt, der zum Regeln der maximalen Wiederholungsfrequenz angeschlossen ist, sowie eine Frequenz-Vervielfachungseinrichtung (35), die zum Erregendes akustischen Wandlers (14) an den Taktgenerator angeschlossen ist.
9. Verfahren zum Steuern eines Tintenstrahldruckers mit den folgenden Schritten: Anlegen einer Druckwelle an einen Behälter mit flüssiger Tinte (11), damit eine Kapillarwelle auf der Oberfläche (12) der flüssigen Tinte erzeugt wird, und Destabilisieren der Tinte, die der Druckwelle ausgesetzt ist, so daß Tintentröpfchen (25) von der Oberfläche der flüssigen Tinten ausgestoßen werden, wobei die Destabilsierung bei einer Frequenz erfolgt, die niedriger oder genauso groß wie die maximale Wiederholungsfrequenz ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Anlegens der Druckwelle an den Behälter mit flüssiger Tinte (11) das Anlegen der Druckwelle an die flüssige Tinte bei einer Frequenz umfaßt, die doppelt so hoch wie die Wiederholungsfrequenz ist, wodurch Kapillarwellen, die durch den Ausstoß von Tröpfchen (25) entstehen, unterdrückt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt des Anlegens der Druckwelle an den Tintenbehälter das Erregen eines akustischen Wandlers (14) im Behälter bei einer Frequenz umfaßt, die doppelt so groß wie die maximale Wiederholungsfrequenz ist.
DE69318592T 1992-02-19 1993-02-16 Verfahren und Vorrichtung zur Unterdrückung von Kapillarwellen in einem Tintenstrahldrucker Expired - Lifetime DE69318592T2 (de)

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