DE69607053T2

DE69607053T2 - Tintenstrahlkopf, Tintenstrahlaufzeichnungsvorrichtung und Steuerverfahren

Info

Publication number: DE69607053T2
Application number: DE69607053T
Authority: DE
Inventors: Masahiro Fujii; Shinri Sakai
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1995-04-20
Filing date: 1996-04-19
Publication date: 2000-09-14
Anticipated expiration: 2016-04-20
Also published as: US6234607B1; DE69607053D1; EP0738600A2; EP0738600A3; EP0738600B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen die Tintenstrahldrucktechnologie und betrifft insbesondere Techniken zum Unterdrücken von Tintenrestschwingungen nach dem Tintentröpfchenausstoß aus dem Tintenstrahlkopf.
Im allgemeinen weist ein Tintenstrahlkopf eine oder mehrere Tintenstrahleinheiten auf, die jeweils eine Druckerzeugungskammer, eine in Verbindung mit der Druckerzeugungskammer stehende Düse und eine Anordnung zum Ausüben von Druck auf Tinte aufweisen, um selektiv Tintentröpfchen durch die Düse auszustoßen. Ein Ende der Druckerzeugungskammer ist typischerweise über einen Tintenspeiseweg mit einem Tintentank verbunden, und das andere Ende mit der Düsenöffnung. Ein Teil der Druckerzeugungskammer ist so hergestellt, daß er auf einfache Weise verformbar ist und als Membran dient. Diese Membran wird von einem elektromechanischen Umsetzer wie beispielsweise einem piezoelektrischen oder elektrostatischen Aktuator elastisch ausgelenkt (verformt), um selektiv den Druck zu erzeugen, der Tintentröpfchen aus der Düse ausstößt.
Aufzeichnungsgeräte, welche diese Art von Tintenstrahlkopf verwenden, weisen herausragende Betriebseigenschaften auf, wozu ein niedriges Betriebsgeräusch und ein niedriger Stromverbrauch zählen, und sie werden in großem Umfang als Hardcopy- bzw. Papierkopie-Ausgabevorrichtungen für eine Vielzahl von Informationsverarbeitungsvorrichtungen verwendet. Mit zunehmender Leistungs- und Funktionalitätsteigerung der Informationsverarbeitungsvorrichtungen stieg auch der Bedarf nach immer höherer Qualität und Geschwindigkeit beim Druck von sowohl Text als auch Graphik. Dies hat die Entwicklung von Technologien dringend erforderlich gemacht, die den beständigen Ausstoß von noch feineren und kleineren Tintentröpfchen mit noch höheren Frequenzen, d. h. eine höhere Druckgeschwindigkeit, ermöglichen.
Aufgrund des oben beschriebenen Aufbaus des Tintenstrahlkopfs verbleibt nach dem Tintenausstoß eine Schwingung in der Tinte innerhalb der Druckerzeugungskammer (auch Tintenkammer genannt, da sie mit Tinte gefüllt ist; nachstehend "Tintenkammer"), und diese Restschwingung kann leicht zu unerwünscht ausgestoßenen Tintentröpfchen (auch "Satelliten" genannt) führen. Um dies zu vermeiden, bestand die herkömmliche Technik darin, den Strömungswiderstand des die Tintenkammer und den Tintentank verbindenden Tintenspeisewegs zu erhöhen, um die Tintenrestschwingung zu dämpfen. Wenn jedoch der Strömungswiderstand des Tintenspeisewegs hoch ist, wird die Tintennachfüllrate zur Tintenkammer nach dem Tintenausstoß reduziert, wodurch die maximale Tintenausstoßhäufigkeit bzw. -frequenz und schließlich die Druckgeschwindigkeit der Druckvorrichtung gesenkt werden.
Als Alternative können, wie in JP-A-56-161172/1981 beschrieben, Restschwingungen ausgelöscht und Emissionen von Satelliten durch Anlegen eines die Restschwingung der Membran auslöschenden komplementären Signals zu einem geeigneten Zeitpunkt nach einem Membran steuersignal verhindert werden. Dies löst das oben beschriebene Problem, zumindest bei Anwendungen mit einer nicht-variierenden Tröpfchengröße, und schafft ein Aufzeichnungsgerät mit hoher Ausgabegeschwindigkeit.
Bei der in JP-A-56-161172/1981 beschriebenen Technologie muß jedoch die Membran mit einer geeigneten Zeitsteuerung getrieben werden, die durch die charakteristische Schwingungsperiode des Tintenschwingungssystems bestimmt ist, um die Restschwingung auszulöschen. Dies ist so, weil die Restschwingung sogar gefördert werden kann, wenn die Zeitsteuer des Auslöschsignals ungeeignet ist. Die in JP-A-56-161172/1981 beschriebene Technologie sieht daher einen Stellwiderstand zum Einstellen der Signalsteuerung nach Maßgabe der charakteristischen Schwingungsperiode des Tintenschwingungssystems vor. Das Problem besteht hier, daß kein ausreichender Schwingungsdämpfungseffekt erzielt werden kann, wenn irgendeiner der die charakteristische Schwingungsperiode des Tintenschwingungssystems bestimmenden Parameter, beispielsweise die Tintenviskosität, sich als Ergebnis von Änderungen der Umgebung wie beispielsweise Änderungen der Umgebungstemperatur ändert.
Die Darstellung verschiedener Dichtegradationen durch Ändern der Größe der auf einem Aufzeichnungsmedium gebildeten Tintentröpfchen ist außerdem ein bevorzugtes Mittel zur Verbesserung der Bildqualität. Die Größe der von einem beliebigen Aufzeichnungsgerät wie beispielsweise einem Drucker unter Verwendung eines Tintenstrahlkopfs ausgegebenen Tintentröpfchen ist durch verschiedene Faktoren bestimmt, von denen einer die Größe (auch "Tintenausstoßmasse" genannt) der vom Tintenstrahlkopf ausgestoßenen Tintentröpfchen ist.
Eine Technologie, die mehrere elektrostriktive Anordnungen unterschiedlicher Größen bei der Tintenkammer vorsieht und diese elektrostriktiven Anordnung getrennt steuert und treibt, um Tintenträpfchen verschiedener Größen auszustoßen, ist in JP-A-55-79171/1980 beschrieben. Wenn jedoch diese Technik eingesetzt wird, muß jeder der mehreren, zum Verformen der Membran verwendeten Aktuatoren unterschiedlicher Größe unabhängig getrieben werden, was dazu führt, daß die Anzahl der erforderlichen Drähte zunimmt, was es schwierig macht, eine hohe Düsendichte zu erzielen. Auch die Anzahl an Treibern nimmt aufgrund des Erfordernisses zu, jeden Aktuator getrennt zu treiben, und dies macht es schwierig, die Vorrichtungsgröße zu reduzieren.
Ein Tintenstrahlaufzeichnungsgerät, ein Verfahren und ein Tintenstrahlkopf gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1, 9 bzw. 13 sind aus dem Dokument EP-A-0 629 503 bekannt. Dieses Dokument erklärt die Tintenschwingung, schlägt jedoch keinerlei Mittel für deren Unterdrückung vor.
Das Dokument EP-A-0 375 147 offenbart ein Verfahren zum Treiben eines elektrisch getriebenen Tintenstrahlkopfs. Das Verfahren ist durch das Anlegen zweiter aufeinanderfolgender Treiberimpulse für jedes auszustoßende Tintentröpfchen gekennzeichnet. Die Energie des zweiten Treiberimpulses ist kleiner als diejenige des ersten. Der Zweck des zweiten Treiberimpulses ist es, den Meniskus an der Düsenöffnung in dem Moment, in dem sich das in Antwort auf den ersten Treiberimpuls gebildete Tintentröpfchen vom Meniskus löst, konvex nach außen zu machen. Es wird ausgeführt, daß dies sicherstellt, daß der Schwanz des sich lösenden Tröpfchens in der Mitte des Meniskus angeordnet ist.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Tintenstrahlaufzeichnungsgerät zu schaffen, bei dem die oben erläuterte Restschwingung reduziert wird und "Satelliten" vermieden werden, ohne daß dies zu Lasten herkömmlicher hoher Tintennachfüllraten geht.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine derartige Schwingungsdämpfung auf einfach nachprüfbare und automatisch einstellbare Weise zu schaffen, die das Erfordernis des Einschreitens von Benutzern und Benutzerfehler beseitigen kann.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Membranschwingungsdämpfung bei Anwendungen mit variierender Tintentröpfchengröße unter Beibehaltung hoher Düsendichten und relativ niedriger Herstellungs- und Komponentenkosten einzusetzen.
Diese Aufgaben werden mit einem Tintenstrahlaufzeichnungsgerät gemäß Anspruch 1, einem Verfahren gemäß Anspruch 8 und einem Tintenstrahlkopf gemäß Anspruch 13 gelöst.
Da die Membran die Anschlaganordnung (die eine gegenüberliegende Wand sein kann) als Ergebnis des zweiten Treibersignals berührt, wird die Membran an der Anschlaganordnung gehalten, wobei der Meniskus der Tinte in der Tintendüse zur Innenseite der Tintenkammer hin gezogen wird. Daher wird die charakteristische Schwingungsperiode des Tintenschwingungssystems extrem kurz, und die Strömungsrate der Tintenströmung aufgrund der Restschwingung nimmt zu, wodurch eine schnelle Abnahme der Tintensystemschwingung aufgrund von Viskositätsverlusten verursacht wird. Ein unerwünschter Tintenausstoß aufgrund von Restschwingung im Tintensystem kann auf diese Weise verhindert und der Tintenausstoßzyklus verkürzt werden, um ein sehr schnelles Drucken bei hoher Qualität zu erzielen.
Der Zeitgeber gibt das Zeitsteuersignal vorzugsweise zu dem speziellen Zeitpunkt aus, bei dem sich die Membran der Anschlaganordnung am stärksten nähert. Wenn ein elektrostatischer Aktuator verwendet wird, ermöglicht dies, die Membran durch Anlegen einer lediglich relativ kleinen Spannung zur Anschlaganordnung hin anzuziehen. Da die Geschwindigkeit der Membranauslenkung zu diesem Zeitpunkt klein ist, kann das Membranverhalten unabhängig von irgendwelchen umgebungsbedingten Änderungen der charakteristischen Schwingungsperiode des Tintensystems beständig gesteuert werden (d. h., diese Zeitsteuerung braucht nicht abhängig von beispielsweise Umgebungstemperaturfluktuationen geändert zu werden).
Der Zeitgeber kann das Zeitsteuersignal alternativ zu einem bestimmten Zeitpunkt innerhalb des Auswölbungsintervalls ausgeben, währenddessen die Membran aus der Position, in der das Volumen der Tintenkammer am kleinsten ist, zur Position, in der die Membran der Anlageanordnung am nächsten ist, ausgewölbt wird. In diesem Fall beginnt die Membran bei diesem Zeitpunkt, sich mit hoher Geschwindigkeit zur gegenüberliegenden Wand hin zu bewegen, was eine Wirkung hat, die derjenigen äquivalent ist, wenn die charakteristische Schwingungsperiode des Tintensystems verkürzt wird, und was es ermöglicht, das Volumen des ausgestoßenen Tinten tröpfchens zu reduzieren. In anderen Worten können das Volumen oder die Größe des ausgestoßenen Tintentröpfchens durch Auswählen des Zeitpunkts des Zeitsteuersignals aus mehreren, in dem Auswölbungsintervall enthaltenen Zeitpunkten variiert werden.
Wenn gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ein elektrostatischer Aktuator als Aktuator für die Membran verwendet wird, umfaßt der Ausstoßsignalgenerator vorzugsweise eine Ladeschaltung zum Laden des Aktuators und eine erste Entladeschaltung zum Entladen des Aktuators mit einer ersten Entladerate. Außerdem umfaßt der komplementäre Signalgenerator eine Ladeschaltung auf, die in der Lage ist, den Aktuator mit einer Ladung aufzuladen, die ausreicht, um eine Berührung zwischen der Membran und der Anlageanordnung zu bewirken, und eine zweite Entladeschaltung zum Entladen des Aktuators mit einer zweiten Entladerate, die kleiner als die erste Entladerate ist. E ist daher möglich, ein komplementäres Laden einzusetzen, das die Membran veranlaßt, die Anlageanordnung zu berühren, und dann die Membran beständig in die Bereitschaftsposition für den nächsten Vorgang des Tintentröpfchenausstoßes ohne unerwünschten Tintenausstoß sowie ohne Erzeugung von Schwingungen im Tintensystem zurückzubringen.
Weitere Aufgaben und Vorteile sowie ein besseres Verständnis der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung besonderer bevorzugter und alternativer Ausführungsformen und der Ansprüche in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen hervor.
Fig. 1 ist ein vereinfachter Längsschnitt längs der Linie I-I in Fig. 2 einer bevorzugten Ausführungsform eines Tintenstrahlkopfs gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine Draufsicht des in Fig. 1 gezeigten Tintenstrahlkopfs;
Fig. 3A - 3C sind vereinfachte Lateralquerschnitte längs der Linie III-III in Fig. 2, wobei Fig. 3A den Bereitschaftszustand zeigt, Fig. 3B zeigt, wenn Tinte zugeführt wird, und Fig. 3C den Zustand zeigt, wenn die Tinte komprimiert oder mit Druck beaufschlagt ist;
Fig. 4 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der auf die Membran wirkenden Kraft und dem Abstand zwischen der Membran und dem gegenüberliegenden Elektrodensegment zeigt;
Fig. 5 dient der Beschreibung einer alternativen Ausführungsform der Membran des Tintenstrahlkopfs;
Fig. 6 ist ein Schaltbild eines Beispiels einer in Verbindung mit dem in Fig. 1 gezeigten Tintenstrahlkopf verwendeten Treiberschaltung;
Fig. 7A - 7D ist ein Signalzeitsteuerdiagramm, das zur Beschreibung des Betriebs der in Fig. 6 gezeigten Treiberschaltung verwendet wird;
Fig. 8 ist ein Signalwellenformdiagramm, das ein Beispiel der zum Treiben des in Fig. 1 gezeigten Tintenstrahlkopfs verwendeten Treibersignale zeigt;
Fig. 9A - 9D sind Lateralteilquerschnitte des in Fig. 1 gezeigten Tintenstrahlkopfs, wobei Fig. 9A den Zustand vor dem Tintentröpfchenausstoß zeigt, Fig. 9B den Zustand zeigt, wenn eine Ausstoßtreiberspannung angelegt wird, um die Membran zur gegenüberliegenden Wandfläche hin anzuziehen, Fig. 9C den Zustand zeigt, wenn die Ausstoßtreiberspannung entfernt wird und die Membran zur Tintenkammer zurückkehrt, und Fig. 9D den Zustand zeigt, wenn die komplementäre Ladespannung wieder angelegt wird, um die Membran zur gegenüberliegenden Wandfläche hin anzuziehen;
Fig. 10 ist ein dem in Fig. 1 entsprechender, vereinfachter Lateralquerschnitt eines Tintenstrahlkopfs gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 11 ist ein dem in Fig. 1 entsprechender, vereinfachter Lateralquerschnitt eines Tintenstrahlkopfs gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 12 ist eine Draufsicht eines in Fig. 11 gezeigten Tintenstrahlkopfs; und
Fig. 13 ist eine alternative Signalwellenform, die ein alternatives Beispiel der zum Treiben des Tintenstrahlkopfs gemäß den gegenwärtig bevorzugten und alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung geeigneten Treibersignale zeigt.
In den Zeichnungen beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Teile.
Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht eines Tintenstrahlkopfs gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 ist eine Teildraufsicht von Fig. 1, und die Fig. 3A bis 3C sind Teilquerschnittsansichten von Fig. 2.
Wie in diesen Figuren gezeigt, ist der Tintenstrahlkopf 1 eine Schichtanordnung mit drei Schichten, die eine Düsenplatte 3, welche beispielsweise Silicium enthält, ein Glassubstrat 4, welches beispielsweise Borsilikat mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten in der Nähe desjenigen von Silicium enthält, und ein mittleres Substrat 2, das beispielsweise Silicium enthält, umfaßt. Mehrere unabhängige Tintenkammern 5, eine gemeinsame Tintenkammer 6 und Tintenspeisewege 7, welche die gemeinsame Tintenkammer 6 mit den einzelnen Tintenkammern 5 verbinden, sind in dem mittleren Substrat 2 gebildet, in dem beispielsweise Kanäle entsprechend den einzelnen dieser Komponenten in die Fläche des mittleren Substrats 2 (d. h. die obere Fläche gemäß Darstellung in Fig. 1) geätzt werden. Nach dem Ätzen wird die Düsenplatte 3 mit der Fläche des mittleren Substrats 2 verbunden, um die Bildung der verschiedenen Tintenkammern und Tintenspeisewege abzuschließen.
Tintendüsen 11, die jeweils zu einer entsprechenden der Tintenkammern 5 geöffnet sind, sind in der Düsenplatte 3 an Positionen entsprechend einem Ende der einzelnen Tintenkammern 5 gebildet. Wie in Fig. 2 gezeigt, ist in der Düsenplatte 3 auch ein Tintenspeiseloch 12 gebildet, das zur gemeinsamen Tintenkammer 6 geöffnet ist. Tinte wird von einem externen Tintentank (in den Figuren nicht gezeigt) durch das Tintenspeiseloch 12 zur gemeinsamen Tintenkammer 6 geliefert. Die in der gemeinsamen Tintenkammer 6 gespeicherte Tinte läuft dann durch die Tintenspeisewege 7 und wird an die einzelnen Tintenkammern 5 geliefert.
Die Tintenkammern 5 sind mit einer dünnen Bodenwand oder einem Bodenwandabschnitt versehen, die bzw. der eine Membran 8 bildet, die in der vertikalen Richtung elastisch auslenkbar (auswölbbar) ist, wie in Fig. 1 zu sehen. Flache Aussparungen 9 sind beispielsweise durch Ätzen in der Oberseite des Glassubstrats 4 an Positionen entsprechend den einzelnen Tintenkammern 5 im mittleren Substrat 2 gebildet. Als Folge ist die Membran 8 jeder Tintenkammer 5 einer Aussparungsfläche 92 mit einem schmalen Spalt G dazwischen zugewandt. Bei tatsächlichen Produkten kann die Spaltlänge im Bereich von etwa 0,2 bis 1 um liegen, wobei der tatsächliche Wert vorzugsweise auf der Basis der möglichen Präzision der Herstellungstechnologie und der anderen Dimensionsparameter wie beispielsweise der Dicke der Membran festgelegt wird, um mit wenig erforderlicher Treiberenergie die gewünschte Funktion zu erzielen. Da die Aussparungen 9 des Glassubstrats 4 den Membranen 8 der Tintenkammern 5 gegenüber angeordnet sind, werden die Aussparungen 9 als Membran-Gegenwand oder einfach gegenüberliegende Wand 91 (Fig. 3A bis 3C) bezeichnet, die eine Anschlaganordnung für die Membran bildet.
Die Membran 8 jeder Tintenkammer 5 fungiert bei dieser Ausführungsform als Elektrode. Ein Elektrodensegment 10 ist auf jeder Aussparungsfläche 92 gebildet. Die Fläche jedes Elektrodensegments 10 ist von einer Isolierschicht 15 bedeckt, die beispielsweise Glas enthält und eine Dicke G0 aufweist, wie in den Fig. 3A bis 3C gezeigt. Als Folge bilden jeweils ein Elektrodensegment 10 und die gegenüberliegende Membran 8 der jeweiligen Tintenkammer einen Kondensator, der eine Isolierschicht 15 zwischen seinen Elektroden sowie einen Elektrodenspalt von G aufweist. Da eine (Elektrodensegment 10) der Elektroden des Kondensators starr und die andere (Membran 8) flexibel ist, kann dieser Aufbau als Druckerzeugungsanordnung in Form eines elektrostatischen Aktuators verwendet werden.
Eine Treiberschaltung 21 (in Fig. 2 gezeigt) ist zum Treiben des Tintenstrahlkopfs durch Betätigung der elektrostatischen Aktuatoren (Laden und Entladen der Kondensatoren) nach Maßgabe eines von einer externen Quelle wie beispielsweise einem Host-Computer, in den Figuren nicht gezeigt, angelegten Drucksignals vorgesehen. Ein Ausgang der Treiberschaltung 21 ist direkt mit den einzelnen Elektrodensegmenten 10 verbunden, und der andere Ausgang ist mit dem auf dem mittleren Substrat 2 gebildeten gemeinsamen Elektrodenanschluß 22 verbunden. Die Treiberschaltung 21 wird später ausführlich beschrieben.
Wenn Silicium für das mittlere Substrat 2 verwendet wird, kann es mit Dotierstoffen dotiert werden, damit es leitfähig wird und in der Lage ist, eine Ladung vom gemeinsamen Elektrodenanschluß 22 zu den Membranen 8 zu liefern. Es ist festzuhalten, daß es zum Erzielen eines niedrigen elektrischen Widerstandes auch möglich ist, einen Dünnfilm aus Gold oder einem anderen leitfähigen Metall mittels Bedampfen, Sputtern oder eines anderen Prozesses auf einer Fläche eines Siliciumsubstrats zu bilden. Das mittlere Substrat 2 und das Glassubstrat 4 werden bei dieser Ausführungsform durch anodisches Verbinden miteinander verbunden. Somit ist ein leitfähiger Film auf der Oberfläche des mittleren Substrats 2 gebildet, in dem die Tintenspeisewege gebildet sind.
Querschnittsansichten längs der Linie III-III in Fig. 2 sind in den Fig. 3A bis 3C gezeigt. Wenn eine Treiberspannung von der Treiberschaltung 21 an einen Kondensator angelegt wird, der durch die gegenüberliegenden Elektroden wie oben beschrieben gebildet ist, wird eine Coulomb-Kraft in Form einer Anziehungskraft erzeugt, was dazu führt, daß die Membran 8 zum Elektrodensegment 10 hin ausgelenkt wird, wodurch das Volumen der Tintenkammer 5 erhöht wird, wie in Fig. 3B gezeigt. Wenn die im Kondensator gespeicherte Ladung dann von der Treiberschaltung 21 schnell entladen wird, kehrt die Membran 8 aufgrund ihrer Spannkraft oder Rückstellkraft in ihre Ausgangsposition zurück, wodurch das Volumen der Tintenkammer 5 schnell reduziert wird, wie in Fig. 3C gezeigt, und der Druck in ihr erhöht wird. Der erhöhte Druck führt dazu, daß ein Teil der in der Tintenkammer 5 enthaltenen Tinte als Tintentröpfchen aus der jener Tintenkammer zugeordneten Düse 11 ausgestoßen wird.
Die Beziehung zwischen der Spannung, die an die einen Kondensator bildenden gegenüberliegenden Elektroden angelegt wird, und dem Verhalten der Membran 8 wird nachstehend unter Bezug auf Fig. 4 beschrieben. Fig. 4 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der auf die Membran 8 wirkenden Kraft und dem Abstand zwischen den gegenüberliegenden Elektroden 10 und 8 zeigt, wenn die Membran 8 ausgelenkt wird.
Die Rückstellkraft der Membran 8 ist durch die Geraden in Fig. 4 gezeigt. Es ist festzuhalten, daß die Rückstellkraft der Membran 8 in linearer Weise proportional zur Auslenkung zunimmt, wenn die Membran 8 aus der Position der Spaltlänge G zum Elektrodensegment hin ausgelenkt wird. Der Absolutwert der Steigung der Rückstellkraftlinie drückt das Reziproke der Compliance der Membran 8 aus; mit zunehmender Compliance nimmt daher die Steigung ab. Die gekrümmten Linien in Fig. 4 geben die auf die Membran 8 wirkende Coulomb-Kraft an; die Coulomb-Kraft ist umgekehrt proportional zum Quadrat des Elektrodenspalts, wenn die angelegte Spannung als konstant angenommen wird. Da die Coulomb-Kraft auch proportional zum Quadrat der angelegten Spannung ist, wird die Kurve (a) in Richtung des Pfeils A verschoben, wenn die angelegte Spannung steigt, und in Richtung des Pfeils B verschoben, wenn sie abnimmt.
G0 in Fig. 4 ist die Dicke der in den Fig. 3A bis 3C gezeigten Isolierschicht 15 und repräsentiert den minimalen Abstand zwischen den Elektroden. Die Position, bei der die Membran die Isolierschicht 15 berührt, wird nachstehend als die "Berührungsposition" oder die Position bezeichnet, bei der die Membran 8 die gegenüberliegende Wand 91 berührt (es ist festzuhalten, daß die Isolierschicht 15 bezüglich der "gegenüberliegenden Wand" 91 feststeht, die der Teilbereich des Substrats 4 unterhalb der Aussparung 9 ist). Die Werte d1 und d2 geben Positionen an, in denen die Rückstellkraft der Membran 8 und die auf sie wirkende Coulomb-Kraft einander aufheben, wobei d1 ein instabiler Gleichgewichtspunkt und d2 ein stabiler Gleichgewichtspunkt ist. Genauer gesagt wird, wenn eine bestimmte Spannung angelegt wird, die Membran 8 von G1 bis d2 ausgelenkt und stoppt dann. Wenn dann aufgrund einer externen Kraft die Membran 8 in eine Position zwischen d2 und d 1 ausgelenkt wird, kehrt die Membran 8 einfach wieder zu d2 zurück, wenn jene externe Kraft nicht mehr ausgeübt wird. Wenn jedoch die Membran 8 durch eine externe Kraft über d1 hinaus zu einem Punkt nahe dem Elektrodensegment ausgelenkt wird, wird, da die Coulomb-Kraft größer als die Rückstellkraft ist, die Membran 8 in die Berührungsposition ausgelenkt, und diese Berührungsposition wird selbst dann eingehalten, wenn die externe Kraft nicht mehr ausgeübt wird.
Eine in Fig. 4 als Kurve (b) gezeigte hohe Spannung wird an die gegenüberliegenden Elektroden angelegt, um die Membran 8 zu zwingen, die gegenüberliegende Wand zu berühren. Wenn diese Spannung angelegt wird, sind keine Gleichgewichtspunkte d1 und d2, vorhanden, und die Membran 8 wird sofort in die Berührungsposition G0 ausgelenkt. Es ist festzuhalten, daß es erzwungen werden kann, daß die Auslenkung der Membran 8 über d1 hinausschießt, indem nach dem Anlegen einer Spannung, die kleiner ist als diese hohe Spannung, plötzlich erneut eine Spannung angelegt wird, wenn der Abstand zwischen d1 und d2 klein genug ist. Es ist daher auch möglich, unter Verwendung einer niedrigeren Spannung die Membran 8 in die Berührungsposition zu zwingen.
Um die Membran 8 in die Ausgangsposition zurückkehren zu lassen, wird der Kondensator des elektrostatischen Aktuators vollständig oder teilweise entladen, wie in Fig. 4, Kurve (c) gezeigt. Dies bewirkt, daß die Membran 8 beginnt, sich mit einer Beschleunigungsrate, die durch die Differenz zwischen der Membranrückstellkraft und der Coulomb-Kraft bestimmt ist, in Richtung auf den stabilen Gleichgewichtspunkt d2 hin zu bewegen. Als Folge ist die Rückstellbeschleunigung der Membran 8 ausreichend, um die Tintentröpfchen vorwärts zu treiben, wenn die angelegte Spannung mit ausreichender Geschwindigkeit abfällt. Wenn die angelegte Spannung allmählich abnimmt, kann außerdem die Rückstellbeschleunigung der Membran 8 klein genug gehalten werden, um einen Ausstoß von Tintentröpfchen zu verhindern.
Da eine Volumenänderung in der Tintenkammer durch Verformung der Membran ausgeführt wird, wird der Ausdruck "Compliance" hier auch dazu verwendet, das Maß der Volumenänderung der Tintenkammer zu bezeichnen, die aus der auf die Membran 8 wirkenden Einheit der Druckänderung resultiert.
Um den Düsen-Rasterabstand zu verkleinern, ist die Membran 8 in der Richtung, in der die Tintendüsen aneinandergereiht sind, d. h. in der aus Fig. 2 ersichtlichen Richtung von oben nach unten, mit der kleinstmöglichen Abmessung versehen (nachstehend die "Breite" der Membran), und einer großen Abmessung in der Richtung senkrecht zur Breite (nachstehend die "Länge" der Membran), beispielsweise einer Länge von 3 mm für eine Breite von 200 um in diesem Beispiel. Als Folge bestimmt die Steifigkeit über die Breite der Membran 8 mit Ausnahme der Enden in der Längsrichtung der Membran 8 das Maß der Verformung der Membran 8, wenn eine gleichmäßig verteilte Last (Druck oder Coulomb-Kraft) auf die Membran 8 einwirkt, wie in Fig. 5 gezeigt. Daher kann die folgende Beziehung zwischen der Form und der Compliance (Cm) der Membran 8 definiert werden:
Cm = K · L · W&sup5;/T³
wobei K eine Konstante ist, und L, W und T die Länge, Breite bzw. Dicke der Membran 8 sind. Wie diese Gleichung zeigt, ist die Compliance (Cm) der Membran 8 proportional zur Länge (L), proportional zur fünften Potenz der Breite und umgekehrt proportional zur dritten Potenz der Dicke (T) der Membran 8.
Es ist auch klar, daß die Compliance der Membran 8, wenn die Membran 8 die gegenüberliegende Wand berührt, als Null angesehen werden kann. Dies ist so, weil selbst dann, wenn nur ein Drittel der der Breite in der Mitte der Membran 8 die gegenüberliegende Wand berührt, die Compliance weniger als 1 /100 ist, da die Compliance proportional zur fünften Potenz der Breite ist.
Die bevorzugten und alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden daher nachstehend vor diesem Hintergrund beschrieben.
Eine Treiberschaltung, die als Spannungsanlegeanordnung 21 (in Fig. 2 gezeigt) geeignet ist, die zum Anlegen einer Spannung und somit zum Treiben eines wie oben beschrieben aufgebauten Tintenstrahlkopfs verwendet wird, wird nachstehend unter Bezug auf Fig. 6, die ein Schaltbild der Treiberschaltung zeigt, und Fig. 7A bis 7D beschrieben, die zusammen ein Zeitsteuerdiagramm des Treiberschaltungsbetriebs zeigen.
Ein Ladesignal IN1 in Fig. 12 wird dazu verwendet, Ladungen auf den gegenüberliegenden Elektroden (Membran 8 und Elektrodensegment 10) anzusammeln, um die Membran 8 auszulenken, und wird über den Pegelschiebertransistor Q1 an eine erste Konstantstromschaltung 400 eingegeben. Die erste Konstantstromschaltung 400 umfaßt hauptsächlich Transistoren Q2 und Q3 sowie einen Widerstand R1 und lädt den Kondensator C mit einem konstanten Stromwert, was zu einer konstanten Laderate '4 führt.
Ein erstes Entladesignal IN2 wird dazu verwendet, die Ladung auf den gegenüberliegenden Elektroden zu entladen und damit die Membran 8 in den Bereitschaftszustand (nicht-ausgelenkt) zurückzubringen. Die zweite Konstantstromschaltung 420 umfaßt hauptsächlich Transistoren Q4 und Q5 sowie einen Widerstand R2 und ist ausgebildet, um die im Kondensator C gespeicherte Ladung mit einer konstanten Entladerate τ2 während der Periode zu entladen, in der das erste Entladesignal IN2 aktiv ist.
Ein zweites Entladesignal IN3 wird dazu verwendet, die in den gegenüberliegenden Elektroden gespeicherte Ladung zu entladen, um die Membran 8 in den Bereitschaftszustand zurückzubringen. Eine dritte Konstantstromschaltung 430 ist hauptsächlich aus Transistoren Q10 und Q11 sowie einem Widerstand R3 aufgebaut, dessen Widerstandswert größer als derjenige des Widerstands R2 ist. Die dritte Konstantstromschaltung 430 wird dazu verwendet, den Kondensator C mit einer konstanten Entladerate τ3, die kleiner ist als die Entladerate τ2 der zweiten Konstantstromschaltung 420, während der Periode zu entladen, in der das zweite Entladesignal IN3 aktiv ist.
Die Anschlüsse des Kondensators C sind über einen die Transistoren Q6, Q7, Q8 und Q9 umfassenden Puffer mit dem Ausgangsanschluß OUT verbunden. Der gemeinsame Elektrodenanschluß 22 des Tintenstrahlkopfs ist ebenfalls mit dem Ausgangsanschluß OUT verbunden, und der Ausgang jedes Transistors T ist mit dem jeweiligen Elektrodensegment 10 verbunden.
Während das Ladesignal IN1 aktiv ist, wird der Kondensator C mit einem konstanten Strompegel geladen. Wenn der Transistor T, der dem Elektrodensegment der Düse entspricht, aus der ein Tröpfchen auszustoßen ist, zu diesem Zeitpunkt ebenfalls eingeschaltet ist, wird das entsprechende Paar gegenüberliegender Elektroden auf den gleichen Spannungspegel wie der Kondensator C geladen. Da der Kondensator C entladen wird, wenn das Entladesignal eingegeben wird, wird auch die in den gegenüberliegenden Elektroden gespeicherte Ladung über die entsprechende Diode D entladen.
Die Funktionsweise einer derart aufgebauten Treiberschaltung wird nachstehend unter Bezug auf das Zeitsteuerdiagramm in Fig. 7A bis 7D näher beschrieben.
Wenn das Ladesignal IN1 (Fig. 7A) aktiv wird, schaltet die Anstiegsflanke des Ladesignals nacheinander Transistor 01 und Transistor Q2 der ersten Konstantstromschaltung 400 ein. Der Kondensator C wird dann unter Verwendung eines durch den Widerstandswert von R1 bestimmten Konstantstromwerts geladen.
Die Anschlußspannung des Kondensators C steigt daher während der Periode zum Zeitpunkt t1 linear von 0 Volt mit einer konstanten Steigung 'r1 an, wie in Fig. 7D gezeigt. Diese Steigung t, ist durch den Widerstandswert des Widerstands R1 und die Kapazität des Kondensators C bestimmt. Eine niedrige Laderate kann daher für den Kondensator 10 und die über den Puffer mit ihm verbundenen gegenüberliegenden Elektroden durch Erhöhen des Widerstandswerts des Widerstands R1 eingestellt werden. Diese Laderate wird unter Berücksichtigung beispielsweise der Tintenspeiserate zur Tintenkammer bestimmt. Damit fließt Tinte von der gemeinsamen Tintenkammer 6 durch den Tintenspeiseweg in die Tintenkammer 5, weil die Membran 51 zum Elektrodensegment 10 hin ausgelenkt wird und die Tintenkammer 5 größer wird.
Wenn das Ladesignal IN1 inaktiv wird, nachdem die Zeitspanne Ta verstrichen ist (zum Zeitpunkt t1), werden die Transistoren Q1 und Q2 ausgeschaltet, und das Laden des Kondensators C endet damit. Die Spannung an den gegenüberliegenden Elektroden wird damit zum Zeitpunkt t1 bei V0 gehalten, und die Membran 8 stoppt, während sie an der gegenüberliegenden Wand 91 (tatsächlich an der Isolierschicht 15) anliegt.
Wenn dann eine vorbestimmte Periode Th vergangen ist, wird das erste Entladesignal IN2 (für den Tintentröpfchenausstoß) aktiv (Fig. 7B). Der Transistor Q4 der zweiten Konstantstromschaltung 420 entlädt dann den Kondensator C während der Periode Tb mit einer durch den Widerstand R2 bestimmten Rate. Die Spannung zwischen den Anschlüssen des Kondensators C fällt dann linear mit der Steigung τ2 auf der Basis des Widerstandswerts des Widerstands R2 ab.
Es ist festzuhalten, daß die Dauer der Periode Tb ausreicht, um den Kondensator C für ein gegebenes R2 vollständig zu entladen. Wenn das erste Entladesignal IN2 für den Tintenausstoß inaktiv wird, schaltet der Transistor Q4 aus, die Entladung durch die zweite Konstantstromschaltung 420 endet, und die Anschlußspannung des Kondensators C und damit die Spannung an den gegenüberliegenden Elektroden ist Null.
Wenn das Ladesignal IN1 zum Zeitpunkt t4 wieder aktiv wird, wird der Kondensator C wieder auf eine durch die Länge der aktiven Periode Tc bestimmten spezifizierten Spannung V1 geladen, wonach die Spannung V1 für eine Periode Ti vom Zeitpunkt t5 bis t6 gehalten wird. Wenn das zweite Entladesignal IN3 (komplementär) dann nach der Periode Ti zum Zeitpunkt t6 aktiv wird, schaltet der Transistor Q10 der dritten Konstantstromschaltung 430 ein, was bewirkt, daß sich der Kondensator C über den Widerstand R3 zu entladen beginnt.
Der Widerstandswert des Widerstands R3 ist größer als der Widerstandswert des Widerstands R2, weshalb die Spannung zwischen den Anschlüssen des Kondensators C linear abfällt, jedoch mit einer Rate x3, die kleiner ist als die obengenannte Rate τ2. Es ist festzuhalten, daß die Periode Td, während der das zweite Entladesignal aktiv ist, unter Berücksichtigung der Tintenausstoßfrequenz und der zum vollständigen Entladen der gegenüberliegenden Elektroden erforderlichen Zeit eingestellt wird.
Ein Treiberverfahren für einen Tintenstrahlkopf, das eine oben beschriebene Treiberschaltung verwendet, wird unten beschrieben. Das Steuerverfahren, das verwendet wird, nachdem die an die gegenüberliegenden Elektroden angelegte Treiberspannung durch die Spannungsanlegeeinrichtung 21 entfernt wird, wird besonders beschrieben.
Fig. 8 zeigt ein Beispiel der Spannungswellenform zwischen den gegenüberliegenden Elektroden. Die gegenüberliegenden Elektroden werden so geladen, daß die Spannung an den gegenüberliegenden Elektroden auf einen Spitzenwert V0 zum Zeitpunkt t1 ansteigt, wonach der Spitzenwert V0 dann bis zum Zeitpunkt t2 gehalten wird. Die gegenüberliegenden Elektroden werden dann ab dem Zeitpunkt t2 entladen, um Tinte auszustoßen, wie nachstehend beschrieben (Lade/Entladeintervall X1 für den Tintenausstoß).
Eine definierte Periode nach dem Zeitpunkt t3, zu dem die Entladung beendet ist, wird vom Zeitpunkt t4 bis zum Zeitpunkt t7 ein komplementäres Lade/Entladeintervall X2 ausgeführt. Es ist festzuhalten, daß die Spitzenspannung V1 des komplementären Lade/Entladeintervalls X2 niedriger ist als die Spitzenspannung V0. Die Entladesteigung S2 während des Entladeintervalls (die Periode vom Zeitpunkt t6 bis t7) der komplementären Lade/Entladeperiode X2 wird so eingestellt, daß sie ausreichend kleiner ist (eine kleinere Entladerate) als die Steigung S1 (die Steigung der Periode vom Zeitpunkt t2 bis t3) der Entladeperiode des Lade/Entladeintervalls X1 (vgl. Fig. 7A bis 7D).
Das Laden und Entladen werden somit während des Tintentröpfchenausstoßvorgangs zweimal ausgeführt. Der Zustand unmittelbar vor dem Laden ist in Fig. 9A gezeigt. Es ist zu beachten, daß sich die Tintenoberfläche 31 (d. h. der Tintenmeniskus) in der Nähe der Düsenöffnung der Düse 11 befindet. Wenn das Laden ausgehend von diesem Zustand in der Lade/Entladeperiode X1 beginnt, wird die Membran 8 zum an der gegenüberliegenden Wandfläche 92 vorgesehenen Elektrodensegment 10 hin angezogen und berührt dann die Oberfläche der Isolierschicht 15. Fig. 9B zeigt die Membran 8 in Berührung mit der Isolierschicht 15. Die Auslenkung der Membran 8 zur Isolierschicht 15 hin erhöht dann das Volumen der Tintenkammer 5, was einen Unterdruck in der Tintenkammer 5 erzeugt, was die Tintenoberfläche 31 in Richtung zur Tintenkammer 5 hinein zieht. Nach der Periode X1 endet das Laden, die Tintenströmung in die Tintenkammer über den Tintenspeiseweg 7, die durch den von der Auslenkung der Membran 8 erzeugten Unterdruck bewirkt wird, geht weiter, und der durch die Tintenströmungsträgheit erzeugte Druck steigt in der Tintenkammer an. Das Entladen wird begonnen, wenn der Tintendruck zum Zeitpunkt t2 auf ein ausreichendes Niveau angestiegen ist. Wenn die Spannung zwischen den gegenüberliegenden Elektroden von der Spitzenspannung V0 auf einen vorbestimmten Spannungspegel abfällt, wird die Membran 8 freigegeben und durch die elastische Rückstellkraft der Membran in die entgegengesetzte Richtung elastisch ausgelenkt, d. h. nach oben, wie in Fig. 9C ersichtlich. Der durch diese elastische Auslenkung verursachte Druckanstieg vergrößert den durch die Tintenströmungsträgheit erzeugten Druck, um einen schnellen Anstieg des Innendrucks der Tintenkammer zu erzeugen, wodurch die Oberflächenspannung des Meniskus überwunden wird und bewirkt wird, daß ein Tintentröpfchen 32 aus der Düse 11 ausgestoßen wird, wie in Fig. 9C gezeigt.
Eine Restschwingung sowohl der Membran als auch der in der Tintenkammer verbleibenden Tinte nach dem Tintentröpfchenausstoß bewirkt, daß die Membran 8 wieder zur gegenüberliegenden Wand hin und dann wieder von der gegenüberliegenden Wand weg ausgelenkt wird, was einen unerwünschten Tintentröpfchenausstoß verursacht.
Bei einer Ausführungsform beginnt das Verfahren der Erfindung jedoch die komplementäre Ladeperiode X2, um Schwingungen zwangsweise an dem Punkt zu dämpfen, an dem die Membran 8 der gegenüberliegenden Wand am nächsten kommt. Die zu diesem Zeitpunkt verwendete Spitzenspannung V1 ist niedriger als die Spitzenspannung V0, die während des Tintentröpfchenausstoßes verwendet wird, führt jedoch zu einer starken Anziehungskraft, weil die Ladung angelegt wird, wenn sich die Membran 8 in Berührung oder nahezu in Berührung mit der gegenüberliegenden Wand befindet, d. h., der Spalt zwischen den gegenüberliegenden Elektroden klein ist. Die Membran 8 wird daher vorübergehend in Berührung mit der Oberfläche 92 gehalten (Fig. 9D). Die Auslenkgeschwindigkeit der Membran ungefähr zum Zeitpunkt, wenn die Spitzenspannung V1 angelegt ist, ist nahezu Null, weshalb selbst dann nur eine geringe Änderung im Abstand zur gegenüberliegenden Wand vorhanden ist, wenn der Zeitpunkt t4, bei dem das komplementäre Laden beginnt, geringfügig gegenüber dem Zeitpunkt versetzt ist, zu dem sich die Membran der gegenüberliegenden Wand am stärksten nähert, was beispielsweise durch Temperaturänderungen bewirkt wird, die die charakteristische Schwingungsperiode des Tintensystems beeinflussen.
Nachdem die Membran 8 für den Ausstoß von Tintentröpfchen elastisch ausgelenkt worden ist, erzwingt das hier beschriebene Steuerverfahren der Erfindung die Membranauslenkung, wenn die Membran in die Position des größten Tintenkammervolumens ausgelenkt worden ist und verhindert dadurch ungewollte Schwingungen. Die Compliance der Membran fällt dann schnell ab, und die charakteristische Schwingungsperiode des Tintensystems ist extrem kurz. Die Tintenströmungsrate innerhalb der Tintenkammer und des Tintenspeisewegs steigt deshalb an, was den Verbrauch der Restschwingungsenergie beschleunigt. Das Ergebnis ist ein schneller Abfall der Restschwingung im Tintensystem.
Es ist festzuhalten, daß der von der Restschwingung des Tintensystems stammende Spitzendruck innerhalb der Tintenkammer schnell ansteigt, steigt jedoch nicht stark genug an, um einen Tintenausstoß zu bewirken. Dies ist so, weil die Membran in Berührung mit der gegenüberliegenden Wand stoppt, d. h., wo das Tintenkammervolumen am größten ist, und die Tintenoberfläche innerhalb der Düse wird zur Tintenkammer hin am weitesten nach innen gezogen.
Wenn der durch die gegenüberliegenden Elektroden gebildete Kondensator ausgehend von diesem Zustand schnell entladen wird, kehrt die Membran 8 wie beim Tintenausstoß von der gegenüberliegenden Wandfläche 92 zurück und bewegt sich daher in die Tintenkammer hinein. Eine derartige elastische Auslenkung der Membran 8 kann deshalb einen schnellen Anstieg des Innentintenkammerdrucks erzeugen, was möglicherweise zu einem unerwünschten Ausstoß von Tintentröpfchen aus der Düse 11 führt.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung verhindert dies durch allmähliches Entladen der komplementären Ladung der komplementären Lade/Entladeperiode 52, wodurch verhindert wird, daß die Membran 8 auf eine Geschwindigkeit beschleunigt wird, die ausreicht, um einen Tintentröpfchenausstoß zu verursachen. Es findet daher kein Ausstoß unerwünschter Tintentröpfchen statt, und auch aus einem Tintentröpfchenausstoß stammende unerwünschte Tintensystemschwingungen werden reduziert. Die komplementäre Lade/Entladeperiode X2 führt daher zu einer effektiven Dämpfung der Gesamtrestschwingung.
Eine alternative Ausführungsform eines Tintenstrahlkopfs wird als nächstes unter Bezug auf Fig. 10 beschrieben. Bei dem in Fig. 10 gezeigten Tintenstrahlkopf 1A variiert der Spalt G zwischen der Membran 8 und der gegenüberliegenden Wandfläche 92 schrittweise in der Längsrichtung der Tintenkammer. Der Tintenstrahlkopf 1A ist ansonsten identisch wie der Tintenstrahlkopf 1 der obigen ersten Ausführungsform. Identische Teile sind daher mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, weshalb deren weitere Beschreibung nachstehend unterbleibt.
Wie in Fig. 10 gezeigt, ist die Rückseite der Membran eben, während die gegenüberliegende Wandfläche 92 des Glassubstrats 4 mit einem gestuften, in der Längsrichtung der Tintenkammer 5 absteigenden Muster gebildet ist. Dieses gestufte Muster führt zu mehreren Spalten mit allmählich zunehmender Größe zwischen der Glasfläche 92 und der Membran 8. Der kleinste Spalt G1 ist an dem Ende der Tintenkammer 5 gebildet, das dem Tintenspeiseweg 7 am nächsten ist, d. h. zwischen der Membran und der ersten Stufe der gegenüberliegenden Wandfläche 92. Neben dem Spalt G1 ist in der Mitte der Membran 8 ein zweiter Spalt G2 gebildet, der größer ist als der Spalt G1. Der der Düse 11 nächste Spalt G3 ist der größte Spalt zwischen der gegenüberliegenden Wandfläche 92 und der Membran 8. Jeder dieser Spalte, genauer gesagt die elektrischen Spalte, die durch den Abstand von der oberen Fläche des Elektrodensegments 10 zur Unterseite der Membran 8 definiert sind, entspricht dem in Fig. 3A bis 3C gezeigten Spalt G.
Durch derartige Variation dieses Spalts G bewirkt der allmähliche Abfall der Spannung zwischen den gegenüberliegenden Elektroden während des Entladeintervalls der komplementären Lade/Entladeperiode 52 nach der Lade/Entladeperiode 51 für den Tintentröpfchenausstoß (Fig. 8), daß sich die entsprechenden Teile der Membran 8 nacheinander von der gegenüberliegenden Wandfläche 92 lösen. Genauer gesagt löst sich die Membran 8 teilweise und nacheinander von der Fläche 92, beginnend mit dem Teil, wo der Spalt am größten ist (63), und dies geht weiter bis zu dem Teil, wo der Spalt am kleinsten ist (G1). Da sich die Membran 8 in Teilen und nicht auf einmal von der Fläche 92 löst, können ein unerwünschter Tintentröpfchenausstoß und Tintenschwingungen sogar noch zuverlässiger unterdrückt werden, und die Restschwingung nach dem Tintentröpfchenausstoß kann schnell und beständig gedämpft werden.
Wenn die Steifheit der Membran 8 schrittweise oder kontinuierlich in der Längsrichtung der Tintenkammer 5 variiert wird, kann der gleiche Effekt wie oben beschrieben erzielt werden, d. h., die die gegenüberliegende Wandfläche 92 berührende Membran 8 kann beständig zum Bereitschaftszustand zurückgebracht werden, ohne einen Ausstoß von Tintentröpfchen zu verursachen.
Ein Tintenstrahlkopf mit diesem Aufbau wird nachstehend unter Bezug auf Fig. 11 beschrieben. Bei diesem Tintenstrahlkopf 1B ist der Teil der Membran 8 auf der der Düse 11 nächsten Seite am Ende der Tintenkammer 5 ein dünnes, plattenartiges Element 8a mit kleiner Steifheit. Anders als es tatsächlich in Fig. 11 gezeigt ist, muß das Element 8a mit kleiner Steifheit nicht mit einer erkennbaren Abgrenzung zwischen der Dicke des Elements 8a niedriger Steifheit und anderen Teilen der Membran 8 gebildet sein; die Membran 8 kann statt dessen mit einer Dicke gebildet sein, die kontinuierlich in der Längsrichtung der Tintenkammer abnimmt.
Eine weitere Ausführungsform eines Tintenstrahlkopfs, bei dem die Membran 8 unterschiedliche Abschnitte mit unterschiedlichen Steifheiten aufweist, ist in Fig. 12 gezeigt. Bei diesem Tintenstrahlkopf 1 C ist das Basisende (nahe dem Tintenspeiseweg 7) der Tintenkammer breiter als der Rest der Tintenkammer. Die Breite der Membran 8 ist ebenfalls im entsprechenden Bereich vergrößert, um ein Element 8c mit niedriger Steifheit zu bilden. Wie bei der obigen Membrandicke muß auch das Element 8c mit niedriger Steifheit nicht mit einer erkennbaren Abgrenzung zwischen der Breite des Elements 8c mit niedriger Steifheit und den anderen Teilen der Membran 8 gebildet sein; statt dessen kann die Membran 8 mit einer Breite gebildet sein, die in der Längsrichtung der Tintenkammer kontinuierlich abnimmt.
Wenn bei diesen alternativen Konfigurationen die gegenüberliegenden Elektroden allmählich entladen werden, löst sich die Membran von der gegenüberliegenden Wand, beginnend mit ihrem Teil relativ hoher Steifheit bis zu ihrem Teil mit kleiner Steifheit. Die gesamte Membran kehrt daher nicht zur gleichen Zeit zurück, und die durch das allmähliche Entladen der gegenüberliegenden Elektroden in oben beschriebener Weise erzielten Effekte können mit noch größerer Zuverlässigkeit erzielt werden.
Ein alternatives Druckgerättreiberverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachstehend beschrieben. Fig. 13 zeigt eine alternative Spannungswelle, die an die gegenüberliegenden Elektroden angelegt wird und besonders zum Treiben des in Fig. 1 gezeigten Strahlkopfs 1 geeignet ist. Bei dieser Ausführungsform erfolgt das Laden/Entladen zweimal: Laden/Entladen von V30 bis V32 für den Tintentröpfchenausstoß, und Laden/Entladen von V33 bis V35 zum Steuern des Tintentröpfchenausstoßvolumens. Somit tritt das komplementäre Laden/Entladen von V33 bis V35 nach dem Laden/Entladen von V30 bis V32 für den Tintentröpfchenausstoß auf.
Die gegenüberliegenden Elektroden werden zuerst auf die Spitzenspannung V0 geladen, wodurch die Membran 8 angezogen wird, um die gegenüberliegende Wand 91 zu berühren. Wenn diese Ladung dann entladen wird, d. h. nach dem Zeitpunkt t2 in Fig. 13, kehrt die Membran 8 aufgrund ihrer elastischen Rückstellkraft in die ursprüngliche nicht-geladene Bereitschaftsposition zurück und wird über die Bereitschaftsposition hinaus in die Tintenkammer 5 ausgelenkt. Dies versetzt die Tinte in der Tintenkammer 5 schnell unter Druck, was dazu führt, daß ein Tintentröpfchen aus der Düse 11 ausgestoßen wird.
Die komplementäre Ladung V33 wird dann angelegt, wenn das Tintentröpfchen gerade aus der Düse 11 ausgestoßen wird, d. h. an einem Punkt zwischen ta und tc vor der Ablösung des Tintentröpfchens. Die resultierende Coulomb-Kraft zieht die ganze Membran 8 zur gegenüberliegenden Wand 91 hin an, was eine starke elastische Auslenkung hervorruft. Dies bewirkt einen plötzlichen vorübergehenden Abfall des Tintendrucks innerhalb der Tintenkammer, und dies wirkt so, daß das Tintentröpfchen in die Tintenkammer gezogen wird. Als Folge wird das Volumen des ausgestoßenen Tintentröpfchen stark reduziert, es wird ein feines Tintentröpfchen ausgestoßen, und es wird ein kleiner Punkt auf dem Aufzeichnungsmedium (Papier) gebildet. Es kann davon ausgegangen werden, daß diese Wirkung identisch ist wie der Tintentröpfchenausstoßbetrieb eines Tintenstrahlkopfs, bei dem die Compliance der Membran 8 klein ist und die charakteristische Schwingungsperiode des Tintensystems besonders kurz ist, wie oben beschrieben.
Es ist daher möglich, die charakteristische Schwingungsperiode des Tintenschwingungssystems durch Steuerung des Punkts zu ändern, bei dem das komplementäre Laden V33 beginnt. Es ist deshalb auch möglich, das ausgestoßene Tintenvolumen durch Verwendung des in der Technik bekannten Prinzips der Bestimmung der Schwingungsperiode entsprechend dem ausgestoßenen Tintenvolumen zu steuern und daher auch möglich, das ausgestoßene Tintenvolumen zu steuern.
Der Beginn des komplementären Ladens V33 (V33a) beim frühesten Punkt ta, nachdem das Entladen V32 beendet ist, ist mit dem Betrieb mit einer extrem kurzen charakteristischen Schwingungsperiode im Tintensystem äquivalent. Das augestoßene Tintenvolumen ist daher stark reduziert, und es kann der Ausstoß feiner Tintentröpfchen erzielt werden. Wenn im Gegensatz dazu das komplementäre Laden V33 (V33c) bei dem letztmöglichen Punkt tc beginnt, tritt eine minimale reale Änderung der charakteristischen Schwingungsperiode des Tintensystems auf. Das ausgestoßene Tintenvolumen ist daher relativ groß, und es wird ein großes Tröpfchen gebildet. Wenn das komplementäre Laden V33 (V33b) bei irgendeinem Punkt zwischen dem frühesten (ta) und spätesten (tc) Punkt beginnt, liegt das ausgestoßene Tintenvolumen zwischen dem kleinsten (V33a) und dem größten (V33c) Niveau. Es ist daher möglich, das ausgestoßene Tintenvolumen durch Ändern des Beginns des komplementären Ladens zu steuern.
Der geladene Zustand wird dann für eine bestimmte Periode nach dem komplementären Laden beibehalten, um Restschwingungen im Tintensystem auf gleiche Weise wie bei der obigen ersten Ausführungsform eines Treiberverfahrens schnell zu dämpfen. Eine allmähliche Entladung, wie durch V35 gezeigt, wird dann ausgeführt, was es der Membran 8 ermöglicht, in den Bereitschaftszustand zurückzukehren, ohne einen unerwünschten Tintenausstoß oder schädliche Tintenschwingungen in der Tintenkammer zu verursachen.
Es ist festzuhalten, daß bei den obigen Ausführungsformen der Zeitpunkt, zu dem das Laden und Entladen beginnt und endet, d. h. t1 bis t7 und ta bis tc, mittels Zeitsteuergeneratoren verschiedener bekannter Auslegungen erzeugt werden kann. Es kann beispielsweise ein Taktsignal mit einer konstanten Periode mittels eines Zählers gezählt werden, für den der Anfangswert eingestellt werden kann. Die erforderlichen Zeitsteuersignale können dann auf einfache Weise unter Verwendung eines Übertrag- bzw. Carry-Signals erzeugt werden, welches erzeugt wird, wenn der Zähler überläuft. Diese Konfiguration ermöglicht es, daß das Zeitsteuersignal durch Steuern des im Zähler eingestellten Anfangswerts frei angepaßt werden kann.
Wenn ein Mikroprozessor dazu verwendet wird, den Anfangswert einzugeben, ist es beispielsweise möglich, die V33-Anstiegszeit nach Maßgabe der Druckdaten zwischen ta und tc zu ändern. Dies ermöglicht es, auf einfache Weise das Tintentröpfchenausstoßvolumen zu steuern und zu variieren. Die Tintentröpfchenausstoßperiode ist typischerweise einige hundert Mikrosekunden lang, was auf einfache Weise innerhalb des Steuervermögens heutiger Mikroprozessoren liegt. Es kann jedoch auch alternativ eine verdrahtete Logik verwendet werden, um noch höhere Druckgeschwindigkeiten zu erzielen.
Es ist klar, daß die Steuervorrichtung zum Steuern des bzw. der Aktuatoren eines Tintenstrahlkopfs gemäß der vorliegenden Erfindung ein gesondertes Teil eines den Tintenstrahlkopf verwendenden Tintenstrahlaufzeichnungsgeräts sein kann oder mit der bzw. den Tintenstrahleinheiten einstückig in einem Tintenstrahlkopf gebildet sein kann.

Claims

1. Tintenstrahlaufzeichnungsgerät, umfassend:

einen Tintenstrahlkopf (1) mit einer oder mehreren Tintenstrahleinheiten, von denen jede enthält

eine Düse (11) zum Ausstoßen von Tintentröpfchen;

eine Tintenkammer (5), die einerseits mit der Düse und andererseits mit einer Tintenspeiseanordnung (6) in Verbindung steht;

eine elastische Membran (8), die zumindest einen Abschnitt einer Wand der Tintenkammer bildet;

einen Aktuator (8, 10), der so auf Treibersignale (S1, S2) anspricht, daß er selektiv die Membran verformt und das Volumen der Tintenkammer verändert; und

eine Anschlaganordnung (91), die außerhalb der Tintenkammer der Membran gegenüber angeordnet ist, wobei ein Spalt zwischen der Membran und der Anschlaganordnung vorhanden ist, wenn erstere nicht verformt ist;

wobei das Gerät des weiteren eine Treiberanordnung (21) enthält, die einen Ausstoßsignalgenerator (400, 420) zum Anlegen eines ersten Treibersignals (51) an den Aktuator für den Ausstoß eines Tintentröpfchens aus der Düse enthält;

gekennzeichnet durch

einen auf den Ausstoßsignalgenerator ansprechenden Zeitgeber zum Erzeugen eines Zeitsteuersignals nach einem ersten vorbestimmten Intervall nach Empfang des ersten Treibersignals; und

einen auf das Zeitsteuersignal ansprechenden komplementären Signalgenerator (400, 430) zum Anlegen eines zweiten Treibersignals (52) an den Aktuator für das Auslenken der Membran (8) in eine Berührung mit der Anschlaganordnung (91) und für das Halten dieser Berührung für ein zweites vorbestimmtes Intervall (t7-t6).

2. Gerät nach Anspruch 1, bei dem das erste vorbestimmte Intervall so ausgewählt ist, daß der Zeitgeber das Zeitsteuersignal innerhalb der Zeitspanne erzeugt, während der die Membran (8) aus einer Position, in der das Volumen der Tintenkammer (5) minimal ist, in eine Position, in der die Membran der Anschlaganordnung (91) am nächsten ist, ausgelenkt wird.

3. Gerät nach Anspruch 2, bei dem das erste vorbestimmte Intervall so ausgewählt ist, daß der Zeitgeber das Zeitsteuersignal erzeugt, wenn die Membran (8) die der Anschlaganordnung (91) nächste Position erreicht.

4. Gerät nach Anspruch 2, bei dem das erste vorbestimmte Intervall so ausgewählt ist, daß der Zeitgeber das Zeitsteuersignal bei einem ausgewählten aus einer Mehrzahl diskreter Zeitpunkte (ta, tb, tc) innerhalb der Zeitspanne erzeugt.

5. Gerät nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem der Aktuator einen elektrostatischen Aktuator umfaßt, der eine erste Elektrode, die an der Membran (8) befestigt oder einstückig mit ihr ist, und eine zweite Elektrode (10) enthält, die so an der Anschlaganordnung (91) befestigt oder einstückig mit ihr ist, daß sie der ersten Elektrode zugewandt ist;

wobei das erste Treibersignal (51) umfaßt:

eine Ausstoßladesignalkomponente (V30) zum Bewirken elektrostatischer Anziehung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode, damit die Membran in Richtung zur Anschlaganordnung hin ausgelenkt wird; und

eine nachfolgende Ausstoßenttadesignalkomponente (V32) zum Entladen des elektrostatischen Aktuators mit einer ersten Entladerate (τ&sub3;), damit die Membran von der Anziehungskraft befreit wird; und

wobei das zweite Treibersignal (52) umfaßt:

eine Stabilisationsladesignalkomponente (V33a, V33b, V33c) zum Bewirken elektrostatischer Anziehung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode, damit die Membran in eine Berührung mit der Anschlaganordnung ausgelenkt wird; und

eine nachfolgende Stabilisationsentladesignalkomponente (V35) zum Entladen des elektrostatischen Aktuators mit einer zweiten Entladerate (τ&sub3;), die kleiner als die erste Entladerate ist.

6. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Membran (8) umfaßt:

einen ersten Abschnitt (8a) mit einer ersten Dicke; und

einen zweiten Abschnitt (8b) mit einer zweiten Dicke;

wobei der Spalt (G) eine erste Spaltlänge zwischen dem ersten Abschnitt und der Anschlaganordnung (91) und eine zweite Spaltlänge zwischen dem zweiten Abschnitt und der Anschlaganordnung aufweist.

7. Gerät nach Anspruch 6, bei dem der erste und der zweite Membranabschnitt (8a, 8b) voneinander verschiedene Steifheiten aufweisen.

8. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Membran umfaßt:

einen ersten Abschnitt mit einer ersten Fläche; und

einen zweiten Abschnitt mit einer von der ersten Fläche verschiedenen zweiten Fläche, wobei der erste und der zweite Membranabschnitt voneinander verschiedene Steifheiten aufweisen.

9. Verfahren zum Treiben eines Tintenstrahlkopfs (1) mit einer oder mehreren Tintenstrahleinheiten, von denen jede enthält: eine Düse (11) zum Ausstoßen von Tintentröpfchen, eine Tintenkammer (5), die einerseits mit der Düse und andererseits mit einer Tintenspeiseanordnung (6) in Verbindung steht, eine elastische Membran (8), die zumindest einen Abschnitt einer Wand der Tintenkammer bildet, einen Aktuator (8, 10), der so auf Treibersignale (S1, S2) anspricht, daß er selektiv die Membran verformt und das Volumen der Tintenkammer verändert, und eine im wesentlichen stationäre Anschlaganordnung (91), die außerhalb der Tintenkammer der Membran gegenüber angeordnet ist, wobei ein Spalt zwischen der Membran und der Anschlaganordnung vorhanden ist, wenn erstere nicht verformt ist; wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt:

(a) Anlegen eines ersten Treibersignals (51) an den Aktuator, um den Ausstoß eines Tintentröpfchens aus der Düse zu erzwingen;

gekennzeichnet durch die nach Schritt (a) ausgeführten weiteren Schritte:

(b) Warten für ein erstes vorbestimmtes Intervall; und

(c) anschließendes Anlegen eines zweiten Treibersignals (52) an den Aktuator, um zu bewirken, daß die Membran (8) die Anschlaganordnung (91) berührt und diese Berührung für ein zweites vorbestimmtes Intervall (t7-t6) beibehält.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das erste vorbestimmte Intervall von Schritt

(b) so ausgewählt wird, daß Schritt (c) ausgeführt wird, wenn die Membran (8) aus einer Position, in der das Tintenkammervolumen minimal ist, in eine Position, in der die Membran der Anschlaganordnung am nächsten ist, ausgelenkt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das erste vorbestimmte Intervall so ausgewählt wird, daß Schritt (c) ausgeführt wird, wenn die Membran (8) die der Anschlaganordnung (91) nächste Position erreicht hat.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem der Aktuator ein elektrostatischer Aktuator ist wobei Schritt (a) umfaßt:

(a1) Anlegen eines Ausstoßladesignals (V301 an den Aktuator, um die Membran in Richtung zur Anschlaganordnung (91) hin zu verformen; und

(a2) anschließendes Anlegen eines Ausstoßentladesignals (V32) an den Aktuator, um den Aktuator mit einer ersten Entladerate (τ2) so zu entladen und die Membran freizugeben, daß bewirkt wird, daß ein Tintentröpfchen ausgestoßen wird; und

wobei Schritt (c) umfaßt:

(c1) Anlegen eines Stabilisationsladesignals (V33a, V33b, V33c) an den Aktuator, um die Membran in eine Berührung mit der Anschlaganordnung zu verformen; und

(c2) anschließendes Anlegen eines Stabilisationsentladesignals (V35), um den Aktuator mit einer zweiten Entladerate Qr3) zu entladen, die kleiner als die erste Entfaderate ist.

13. Tintenstrahlkopf, umfassend:

eine oder mehrere Tintenstrahleinheiten, von denen jede enthält eine Düse (11) zum Ausstoßen von Tintentröpfchen;

wobei der Tintenstrahlkopf des weiteren eine Treiberanordnung (21) umfaßt, die einen Ausstoßsignalgenerator (400, 420) zum Anlegen eines ersten Treibersignals (S1) an den Aktuator für den Ausstoß eines Tintentröpfchens aus der Düse (11) enthält; gekennzeichnet durch

einen auf das Zeitsteuersignal ansprechenden komplementären Signalgenerator (400, 430) zum Anlegen eines zweiten Treibersignals (S2) an den Aktuator für das Auslenken der Membran in eine Berührung mit der Anschlaganordnung und für das Halten dieser Berührung für ein zweites vorbestimmtes Intervall.

14. Tintenstrahlkopf nach Anspruch 13, bei dem das erste vorbestimmte Intervall so ausgewählt ist, daß der Zeitgeber das Zeitsteuersignal innerhalb der Zeitspanne erzeugt, während der die Membran (8) aus einer Position, in der das Volumen der Tintenkammer (5) minimal ist, in eine Position, in der die Membran der Anschlaganordnung (91) am nächsten ist, ausgelenkt wird.

15. Tintenstrahlkopf nach Anspruch 14, bei dem das erste vorbestimmte Intervall so ausgewählt ist, daß der Zeitgeber das Zeitsteuersignal erzeugt, wenn die Membran (8) die der Anschlaganordnung (91) nächste Position erreicht.

16. Tintenstrahlkopf nach Anspruch 14, bei dem das erste vorbestimmte Intervall so ausgewählt ist, daß der Zeitgeber das Zeitsteuersignal bei einem ausgewählten aus einer Mehrzahl diskreter Zeitpunkte (τc) innerhalb der Zeitspanne erzeugt.

17. Tintenstrahlkopf nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem der Aktuator einen elektrostatischen Aktuator umfaßt, der eine erste Elektrode, die an der Membran (8) befestigt oder einstückig mit ihr ist, und eine zweite Elektrode (10) enthält, die so an der Anschlaganordnung (91) befestigt oder einstückig mit ihr ist, daß sie der ersten Elektrode zugewandt ist;

wobei das erste Treibersignal (S1) umfaßt:

eine Ausstoßladesignalkomponente (V30) zum Bewirken elektrostatischer Anziehung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode, um die Membran in Richtung zur Anschlaganordnung (91) hin auszulenken; und

eine nachfolgende Ausstoßentladesignalkomponente (V32) zum Entladen des elektrostatischen Aktuators mit einer ersten Entladerate (τ&sub2;), um die Membran von der Anziehungskraft zu befreien; und

wobei das zweite Treibersignal (S2) umfaßt:

eine Stabilisationsladesignalkomponente (V33a, V33b, V33c) zum Bewirken elektrostatischer Anziehung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode, um die Membran in eine Berührung mit der Anschlaganordnung (91) auszulenken; und

eine nachfolgende Stabilisationsentladesignalkomponente (V35) zum Entladen des elektrostatischen Aktuators mit einer zweiten Entladerate (t3), die kleiner als die erste Entladerate ist.

18. Tintenstrahlkopf nach einem der Ansprüche 13 bis 17, bei dem die Membran (8) umfaßt:

einen ersten Abschnitt (8a) mit einer ersten Dicke; und

einen zweiten Abschnitt (8b) mit einer zweiten Dicke;

19. Tintenstrahlkopf nach Anspruch 18, bei dem der erste und der zweite Membranabschnitt (8a, 8b) voneinander verschiedene Steifheiten aufweisen.

20. Tintenstrahlkopf nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei dem die Membran umfaßt:

einen ersten Abschnitt mit einer ersten Fläche; und