DE69624041T2

DE69624041T2 - Tintenstrahlsystem

Info

Publication number: DE69624041T2
Application number: DE69624041T
Authority: DE
Inventors: Hans Reinten
Original assignee: Oce Technologies BV
Current assignee: Canon Production Printing Netherlands BV
Priority date: 1995-06-12
Filing date: 1996-06-05
Publication date: 2003-06-26
Anticipated expiration: 2016-06-06
Also published as: JP2865621B2; JPH091792A; DE69624041D1; US5877789A

Description

Die Erfindung betrifft ein Tintenstrahlsystem mit einem Tintenkanal zwischen einem Tintenreservoir und einer Düse und einer angrenzend an den Tintenkanal angeordneten Druckerzeugungseinrichtung, die dazu dient, in der Tintenflüssigkeit eine akustische Druckwelle zu erzeugen, die sich in dem Tintenkanal ausbreitet, so daß ein Tintentröpfchen aus der Düse ausgestoßen wird.
Solche Tintenstrahlsysteme werden als Druckköpfe in Tintenstrahldruckern eingesetzt.
Ein Tintenstrahlsystem mit Tropfen auf Abruf der oben genannten Art ist z. B. bekannt aus EP-B1-0 402 172. Bei diesem bekannten System ist der Tintenkanal in einem Substrat ausgebildet, das sandwichartig zwischen einer Bodenplatte und einer Deckplatte liegt, so daß die oberen und unteren Oberflächen des Tintenkanals durch die Deckplatte bzw. die Bodenplatte gebildet werden. Der Tintenkanal hat eine konstante Tiefe, die mit der Höhe der Düse identisch ist, hat jedoch eine größere Breite als die Düse und ist an seinem vorderen Ende derart verjüngt, daß seine Breite allmählich auf diejenige der Düse abnimmt. Die Druckerzeugungseinrichtung umfaßt ein plattenförmiges piezoelektrisches Element, das innerhalb der Fläche des Tintenkanals unter der Bodenplatte angeordnet ist. Das piezoelektrische Element ist auf einer starren Stützplatte abge¬ stützt und liegt mit seiner oberen Endfläche direkt an der Bodenplatte des Tintenkanals an. Wenn eine elektrische Spannung an Elektroden des piezoelektrischen Elements angelegt wird, expandiert das piezoelektrische Material in vertikaler Richtung, und die elastische Bodenplatte wird in den Tintenkanal hinein durchgebogen, so daß ein Tintentröpfchen aus der Düse ausgestoßen wird.
In einem in der Praxis eingesetzten Druckkopf für das Hochgeschwindigkeitsdrucken mit hoher Auflösung ist eine Vielzahl von Tintenstrahlsystemen auf einem gemeinsamen Substrat integriert. Um Ziele wie eine hohe Integrationsdichte, eine hohe Maximalfrequenz der Tropfenerzeugung und dergleichen zu erreichen, sollten die Tintenstrahlsysteme so kompakt wie möglich gemacht werden. Andererseits sollten die Tintenstrahlsysteme mit mäßigen Spannungen betreibbar sein, und sie sollten dennoch in der Lage sein, eine ausreichende Energie bereitzustellen, um Tröpfchen mit einer geeigneten Größe zu erzeugen und sie auf eine geeignete Geschwindigkeit zu beschleunigen, so daß die Tröpfchen mit hoher Präzision auf das Aufzeichnungsmedium aufgebracht werden können. Es ist deshalb wünschenswert, die Effizienz zu optimieren, mit der die von dem piezoelektrischen Element bereitgestellte mechanische Energie in kinetische Energie der Tröpfchen umgewandelt wird.
Die Gesamt-Energieeffizienz hängt stark von den folgenden beiden Faktoren ab: (1) der Effizienz, mit der die mechanische Energie des piezoelektrischen Elements in Energie einer akustischen Welle umgewandelt wird, die sich in der Tintenflüssigkeit ausbreitet, und (2) der Effizienz, mit der die akustische Energie auf das in der Düse erzeugte Tröpfchen übertragen wird.
Der erste Faktor ist bestimmt durch das Verhältnis zwischen der Dicke des piezoelektrischen Elements und der Tiefe des Tintenkanals. Im Idealfall sollte dieses Verhältnis nicht wesentlich kleiner sein als das Verhältnis zwischen den Elastizitätsmoduln des piezoelektrischen Materials und der Tintenflüssigkeit. Da das piezoelektrische Material im allgemeinen ein verhältnismäßig großes Elastizitätsmodul hat und andererseits die Dicke dieses Elements durch praktische Beschränkungen begrenzt ist, erfordert dieser Faktor eine ziemlich kleine Tiefe des Tintenkanals.
Der zweite Faktor ist von dem Verhältnis zwischen den Querschnittsflächen der Düse und des Tintenkanals abhängig. Im Idealfall sollte dieses Verhältnis so gewählt werden, daß eine optimale "Impedanzanpassung" für die akustische Welle erreicht wird, damit Energieverluste durch Reflexion der akustischen Welle vermieden werden. Da der Querschnitt der Düse durch die gewünschte Größe der Tröpfchen bestimmt ist und die Breite des Tintenkanals nicht zu groß gewählt werden sollte, wäre im Hinblick auf diesen Faktor eine verhältnismäßig große Tiefe des Tintenkanals erwünscht.
Bei der Bestimmung der Tiefe des Tintenkanals muß deshalb zwischen den beiden oben genannten Faktoren ein Kompromiß gemacht werden, mit dem Ergebnis, daß die Gesamt-Energieeffizienz relativ schlecht bleibt.
IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 26, Nr. 10B, März 1984, beschreibt eine andere Art von Tintenstrahlsystem, bei dem der Tintenkanal im Inneren eines rohrförmigen piezoelektrischen Elements definiert ist. Die äußere Umfangsfläche des rohrförmigen piezoelektrischen Elements ist von einer Vielzahl diskreter, ringförmiger leitfähiger Bänder umgeben, die als Erregungselektroden dienen, so daß eine Vielzahl piezoelektrischer Wandler gebildet wird, die über die Länge des Tintenkanals verteilt sind. Bei einem passenden Timing der Erregung jedes Wandlers gewinnt eine sich in Richtung auf die Düse in dem Tintenkanal ausbreitende Druckwelle an Energie, während sie unter jedem Wandler durchläuft.
Ein Tintenstrahlsystem dieser Art ist jedoch schwierig herzustellen, und es ist besonders schwierig, eine Vielzahl von Tintenstrahlsystemen dieser Art in einen Mehrdüsen-Druckkopf für das Hochgeschwindigkeitsdrucken mit hoher Auflösung zu integrieren. Da außerdem die Vielzahl der leitfähigen Bänder jedes piezoelektrischen Elements in jedem einzelnen Tintenstrahlsysteme gesondert erregt werden muß, wird eine komplizierte Steuerlogik benötigt, und das zum Anlegen der geeigneten Spannungen an die einzelnen leitfähigen Bänder benötigte Verdrahtungssystem wird sehr komplex, wenn die Anzahl der Düsen in dem integrierten Druckkopf erhöht wird.
DE-A-43 28 433 beschreibt ein Tintenstrahlsystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, bei dem jeder Tintenkanal zwei Wandler aufweist, die unabhängig erregt werden können. Die Phasenbeziehung zwischen den Erregungssignalen für die beiden Wandler wird variiert, um das Volumen der Tintentröpfchen durch entweder konstruktive oder destruktive Interferenz zu modifizieren.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Tintenstrahlsystem zu schaffen, das einen einfachen Aufbau hat und mit dem dennoch eine hohe Energieeffizienz erreichbar ist.
Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Wegen des rechteckigen Querschnitts des Tintenkanals und der plattenförmigen Gestalt des expandierbaren Elements des Wandlers kann das Tintenstrahlsystem einfach hergestellt und einfach in einen Vieldüsen-Druckkopf integriert werden. Um die Energieeffizienz zu optimieren, wird die Tiefe d des Tintenkanals im Hinblick auf ein optimales Verhältnis zwischen den Querschnittsflächen des Tintenkanals und der Düse gewählt, während man zuläßt, daß das Verhältnis H/d vom theoretischen Optimum abweicht. Es kann jedoch gezeigt werden, daß durch Erzeugung einer Druckvorspannung in dem Tintenvolumen, das dem Kompressionshub im ersten Wandler ausgesetzt ist, dieses theoretische Optimum zu kleineren Werten von H/d verschoben wird, so daß eine hohe Gesamt- Energieeffizienz erreicht werden kann.
Die Verwendung von zwei oder mehr Wandlern führt zu einem Synergieeffekt, was bedeutet, daß, wenn die an die Wandler anzulegende Spannung gegeben ist, die auf das Tröpfchen übertragene kinetische Energie größer ist als in dem Fall, daß die zwei oder mehr Wandler durch einen einzigen Wandler mit den gleichen Gesamtabmessungen ersetzt sind. Der Grund besteht darin, daß die durch den zweiten Wandler erzeugte Druckvorspannung die Effizienz steigert, mit der die Energie vom ersten Wandler auf das Tintenvolumen übertragen wird.
Die zwei oder mehr Wandler sind längs unterschiedlicher Längsabschnitte des Tintenkanals angeordnet. In diesem Fall müssen die Wandler zu verschiedenen Zeiten erregt werden, so daß der erste Wandler seinen Kompressionshub ausführt, wenn die positive (Vorspannungs-) Druckwelle, die von dem zweiten Wandler erzeugt worden ist, in den Abschnitt des Tintenkanals läuft, in dem sich der erste Wandler befindet. Natürlich ist es möglich, drei oder mehr Wandler zu verwenden, die längs des Tintenkanals angeordnet sind. Weiterhin ist es möglich, mehrere Paare von Wandlern derart längs des Tintenkanals anzuordnen, daß die Wandler jedes Paares einander auf der Ober- und Unterseite des Tintenkanals gegenüberliegen und synchron erregt werden.
Es ist nicht notwendig, daß die Tiefe des Tintenkanals auf der gesamten Länge konstant ist. Zum Beispiel kann die Tiefe des Tintenkanals in Richtung auf die Düse vergrößert werden. Die entfernt von der Düse gelegenen Wandler haben dann eine hohe Effizienz, weil sie mit einem flachen Abschnitt des Tintenkanals zusammenwirken, während die Wandler, die näher an der Düse liegen, eine hohe Effizienz wegen der Druckvorspannung des. Tintenvolumens in den zugehörigen Abschnitten des Tintenkanals haben, und der unmittelbar an die Düse angrenzende Abschnitt des Tintenkanals hat eine große Tiefe, wie es zur Minimierung der Reflexionsverluste an der Düse erforderlich ist.
Gemäß der Erfindung werden die Wandler durch verschachtelte Spannungsimpulse derart erregt, daß wenn ein Tröpfchen erzeugt werden soll, der Wandler, der der Düse am nächsten liegt, als erster kontrahiert und als letzter expandiert, während der Wandler, der dem Tintenreservoir am nächsten liegt, als letzter kontrahiert und als erster expandiert. In diesem Fall führen die Wandler ihre Saughübe nacheinander aus, so daß sich eine negative Druckwelle von der Düse in Richtung auf das Tintenreservoir ausbreitet und jedes Mal verstärkt wird, wenn sie den Wandler passiert, wobei die negative Druckwelle dann am offenen, an das Tintenreservoir angrenzenden Ende des Tintenkanals reflektiert wird, so daß eine reflektierte positive Druckwelle sich in Richtung auf die Düse ausbreitet und nacheinander durch die Kompressionshübe der Wandler verstärkt wird. Durch Benutzung dieses Musters für die Betätigung der Wandler ist es somit möglich, die Reflexion der Druckwelle am offenen stromaufwärtigen Ende des Tintenkanals für eine noch effizientere Verstärkung der akustischen Welle auszunutzen.
In einem Tintenstrahlsystem mit Tropfen auf Abruf gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird wenigstens einer der Wandler auf ein Tropfen-Anforderungssignal hin erregt, und wenigstens ein anderer Wandler wird periodisch erregt, d. h. unabhängig davon, ob das Tropfen-Anforderungssignal vorhanden ist oder nicht.
Es zeigt sich, daß kein Tintentröpfchen von der Düse ausgestoßen wird, wenn die Energie der von den Wandlern erzeugten akustischen Welle unter einem bestimmten Schwellenwert liegt. Wenn der periodisch erregte Wandler so angeordnet und/oder gesteuert wird, daß die von diesem Wandler allein erzeugte akustische Welle unterhalb des Schwellenwertes liegt, wird somit ein Tintentröpfchen nur dann erzeugt, wenn das Tropfen-Anforderungssignal vorhanden ist.
Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß die Steuerlogik, die das Leistungs- Ausgangssignal zum periodischen Erregen des einen Wandlers bereitstellt, signifikant vereinfacht werden kann, weil diese Steuerlogik nicht auf das Topfen-Anforderungssignal zu reagieren braucht, sondern nur ein periodisches Signal liefern muß. In einem integrierten System mit einer Vielzahl von Düsen mit jeweils zugehörigen Tintenkanälen und Gruppen von Wandlern können außerdem die periodisch erregten Wandler für sämtliche Düsen durch eine gemeinsame Elektrode oder Steuerleitung angesteuert werden, so daß das Muster der elektrischen Verbindungen signifikant vereinfacht werden kann, was im Fall eines kompakten Systems mit hoher Integrationsdichte von besonderem Vorteil ist.
Diese besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist nicht auf den Fall beschränkt, daß der Tintenkanal einen rechteckigen Querschnitt hat. In einem allgemeineren Sinn kann somit die Aufgabe der Erfindung gelöst werden durch ein Tintenstrahlsystem mit einem Tintenkanal zwischen einem Tintenreservoir und einer Düse und einer angrenzend an den Tintenkanal angeordneten Druckerzeugungseinrichtung, die dazu dient, in der Tintenflüssigkeit eine akustische Druckwelle zu erzeugen, die sich in dem Tintenkanal ausbreitet, so daß ein Tintentröpfchen auf ein Tropfen-Anforderungssignal aus der Düse ausgestoßen wird, wobei die Druckerzeugungseinrichtung wenigstens zwei elektromechanische Wandler aufweist, die zu verschiedenen Zeiten erregt werden, und wenigstens einer dieser Wandler periodisch, unabhängig von der Anwesenheit oder Abwesenheit des Tropfen-Anforderungssignals erregt wird, während wenigstens ein anderer Wandler als Reaktion auf das Tropfen-Anforderungssignal erregt wird.
Der oder die Wandler, die als Reaktion auf das Tropfen-Anforderungssignal erregt werden, können in Ruhe bleiben, wenn kein Tropfen-Anforderungssignal vorliegt. Bevorzugt wird jedoch auch das an diesen Wandler angelegte Signal von einem periodischen Impulssignal abgeleitet, und die Polarität dieses Impulssignals wird in Reaktion auf das Tropfen-Anforderungssignal umgekehrt. Die von der Gesamtheit der Wandler erzeugten akustischen Wellen zeigen somit konstruktive Interferenz, um ein Tintentröpfchen zu erzeugen, wenn das Tropfen-Anforderungssignal vorhanden ist, und sie zeigen destruktive Interferenz, so daß kein Tröpfchen erzeugt wird, wenn kein Tropfen-Anforderungssignal vorliegt. In diesem Fall kann die akustische Welle, die von dem periodisch erregten Wandler allein erzeugt würde, eine verhältnismäßig große Amplitude oberhalb des Schwellenwertes haben, so daß ein hoher Pegel an akustischer Energie erreichbar ist, wenn die Erzeugung eines Tröpfchens erwünscht ist. Außerdem kann die elektronische Steuerlogik weiter vereinfacht werden, weil die an sämtliche Wandler anzulegenden Hochspannungs-Impulssignale von periodischen Signalen abgeleitet werden können und der einzige Effekt des Tropfen-Anforderungssignals darin besteht, die Polarität eines dieser Impulssignale zu ändern. Der Zeitpunkt, an dem die Polarität in Reaktion auf das Tropfen-Anforderungssignal umgekehrt wird, ist nicht kritisch, weil die genauen Zeiten, zu denen die Wandler erregt werden, durch die Impulse des periodischen Signals bestimmt werden, so daß eine stabile Tröpfchenerzeugung mit einer einfachen Steuerlogik erreicht werden kann.
Weitere Einzelheiten der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nun anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
Fig. 1 eine aufgeschnittene perspektivische Ansicht eines Tintenstrahlsystems gemäß der Erfindung;
Fig. 2A und 2B Druck/Auslenkungs-Diagramme für ein piezoelektrisches Element und ein dadurch unter Druck gesetztes Tintenvolumen;
Fig. 3 ein Zeitdiagramm für Signale, die den piezoelektrischen Elementen des in Fig. 1 gezeigten Tintenstrahlsystems zuzuführen sind; und
Fig. 4(a)-(h) Illustrationen der Ausbreitung und Verstärkung einer akustischen Welle in dem Tintenkanal des in Fig. 1 gezeigten Systems.
Fig. 1 zeigt ein Tintenstrahlsystem in der Form eines integrierten Mehrdüsen- Druckkopfes 10, der eine Vielzahl von Tropfenerzeugungseinheiten aufweist, die auf einem gemeinsamen Substrat 12 angeordnet sind. Jede Tropfenerzeugungseinheit umfaßt eine Düse 14, einen Tintenkanal 16, der die zugehörige Düse mit einem Tintenreservoir 18 verbindet, und zwei piezoelektrische Elemente 20, 22, die längs der Oberseite des Tintenkanals 16 angeordnet sind und als elektromechanische Wandler zum Komprimieren der Tintenflüssigkeit im Tintenkanal 16 dienen. Die Tintenkanäle 16 der einzelnen Tropfenerzeugungseinheiten werden durch Nuten in der oberen Oberfläche des Substrats 12 gebildet und sind durch vertikale Wände (nicht gezeigt) voneinander getrennt. Die Oberseiten der Düsen 14 und der Tintenkanäle 16 werden durch eine flexible Deckplatte 24 begrenzt.
Der Hauptteil des Tintenkanals 16, der unter den piezoelektrischen Elementen 20, 22 liegt, hat einen rechteckigen Querschnitt, und das vordere Ende des Tintenkanals ist zu der Düse 14 verjüngt. Die Tiefe d des Tintenkanals 16 ist größer als die Höhe der Düse 14 und ist so gewählt worden, daß ein angemessenes Verhältnis zwischen den Querschnittsflächen der Düse 14 und des Tintenkanals 16 erreicht wird (wobei die Breite des Tintenkanals durch den Abstand der Tropfenerzeugungseinheiten begrenzt ist).
Die piezoelektrischen Elemente 20, 22 werden durch plattenförmige expandierbare Elemente aus einem piezoelektrischen Material gebildet, die mit Erregungselektroden 26, 28 an der Oberseite und einer gemeinsamen Masseelektrode (nicht gezeigt) an der Unterseite versehen sind. Die piezoelektrischen Elemente 22 sind vorzugsweise voneinander getrennt, und jedes Element 22 ist so angeordnet, daß es einen Tintenkanal 16 abdeckt.
Die Höhe H der piezoelektrischen Elemente 20, 22 ist deutlich größer als die Tiefe d des Tintenkanals 16. Eine obere Grenze für die Höhe H ist durch praktische Beschränkungen gegeben. Zum Beispiel wird es schwieriger, das piezoelektrische Element auf die gewünschten Abmessungen zu schneiden, wenn seine Dicke zunimmt.
Wenn eine Spannung zum Beispiel an die Elektrode 28 angelegt wird, hat das piezoelektrische Element 22 die Tendenz, zu expandieren, und es übt einen Druck Pp auf die flexible Deckplatte 24 und weiter auf das Tintenvolumen im Tintenkanal 16 aus. Infolgedessen biegt sich die Deckplatte 24 um einen bestimmten Betrag X nach unten, und das Volumen des Tintenkanals 16 wird entsprechend vermindert.
Fig. 2A ist ein idealisiertes Diagramm, das zeigt, wie der von dem piezoelektrischen Element ausgeübte Druck Pp und der Druck Pi der Tintenflüssigkeit von der Auslenkung X der Deckplatte 24 abhängen (deren elastische Kraft vernachlässigt wird). Der Druck Pp des piezoelektrischen Elements beginnt von einem verhältnismäßig hohen Wert PO aus in dem Moment, in dem die Spannung an die Elektrode 28 angelegt wird und die Deckplatte 24 noch nicht ausgelenkt worden ist, und nimmt dann linear mit der Auslenkung X ab. Die Steigung der Kurve Pp ist gegeben durch Ep/H, wobei Ep das Elastizitätsmodul des piezoelektrischen Materials ist. Andererseits ist der Druck Pi der Tintenflüssigkeit anfangs gleich Null, und er nimmt linear mit der Auslenkung X zu, wobei die Steigung gegeben ist durch Ei/d, wobei Ei das Elastizitätsmodul der Tintenflüssigkeit ist. Die Auslenkung der Deckplatte 24 erreicht einen Wert Xe, bei dem die Drücke Pp und Pi im Gleichgewicht sind. Die auf die Tintenflüssigkeit übertragene mechanische Arbeit pro Flächeneinheit wird durch die schraffierte Fläche W in Fig. 2A repräsentiert.
Fig. 2B illustriert eine Situation, in der die Tintenflüssigkeit bereits einen gewissen Anfangsdruck oder Vorspannungsdruck Pb hat. Folglich ist die Kurve Pi', die den Druck der Tintenflüssigkeit repräsentiert, um den Betrag Pb verschoben. Es ist unmittelbar zu sehen, daß die auf die Tintenflüssigkeit übertragene Arbeit W' (schraffierte Fläche in Fig. 2B) deutlich größer ist als bei dem in Fig. 2A illustrierten Fall.
Das in Fig. 1 gezeigte Tintenstrahlsystem nutzt diesen Effekt auf die folgende Weise aus.
Ein piezoelektrisches Element wird dazu benutzt, den anfänglichen Vorspanndruck Pb in dem Abschnitt des Tintenkanals 16 unterhalb des anderen piezoelektrischen Elements zu erzeugen. Dann wird die Elektrode des anderen piezoelektrischen Elements erregt, um einen höheren Energiebetrag (entsprechend der Arbeit W') auf die Tinte zu übertragen. Die mechanische Energie der piezoelektrischen Elemente wird so mit hoher Effizienz in akustische Energie umgewandelt. Wenn die Wellenfront der Hochdruckwelle, die sich in dem Tintenkanal 16 ausbreitet, die Düse 14 erreicht, wird diese Energie effizient in kinetische Energie des Tintentröpfchens umgewandelt, weil der Querschnitt des Tintenkanals 16 so gewählt ist, daß Energieverluste infolge von Reflexion der akustischen Welle an der Düse 14 minimiert werden.
Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist die Elektrode 26, die den piezoelektrischen Elementen sämtlicher Tropfenerzeugungseinheiten gemeinsam ist, an eine Treiberschaltung 30 angeschlossen, und jede der Elektroden 28 ist an eine andere Treiberschaltung 32 angeschlossen, die ein Tropfen-Anforderungssignal D empfängt.
Fig. 3 ist ein Zeitdiagramm und illustriert Beispiele für Wellenformen des Tropfen-Anforderungssignals D und der Ausgangssignale S30 und S32 der Treiberschaltungen 30 und 32. Die Treiberschaltung 30 gibt ein periodisches Impulssignal mit einer festen Periode T und einer bestimmten Impulsbreite PW1 aus, unabhängig davon, ob das Tropfen-Anforderungssignal D vorhanden ist. Die Treiberschaltung 32 erzeugt ein Impulssignal, das dieselbe Periode T hat. Die Mitten der Impulse dieses Impulssignals sind identisch mit den Mitten der Impulse des Signals S30, doch die Impulsbreite PW2 des Signals S32 beträgt nur ein Drittel der Impulsbreite PW1. Wenn das Tropfen-Anforderungssignal D vorhanden ist, hat der Impuls des Signals S32 die gleiche Polarität wie die Impulse des Signals S30, und wenn das Tropfen-Anforderungssignal D nicht anliegt, haben die Impulse des Signals S32 die entgegengesetzte Polarität.
Die Wirkungsweise des Tintenstrahlsystems nach Fig. 1 wird nun im einzelnen unter Bezugnahme auf Fig. 3 und 4 erläutert. Fig. 4 symbolisiert die Ausbreitung einer akustischen Druckwelle im Tintenkanal 16 relativ zu den piezoelektrischen Elementen 20, 22 für jeden der in Fig. 3 angegebenen Zeitpunkte t0-t7.
Zur Zeit t0 ändert sich das Signal S30, d. h., die an die Elektrode 26 angelegte Spannung, derart, daß die piezoelektrischen Elemente 20 kontrahieren. Infolgedessen wird unter dem piezoelektrischen Element 20 eine negative Druckwelle erzeugt, wie in Fig. 4(a) gezeigt ist. Diese negative Druckwelle breitet sich in beide Richtungen aus.
Zur Zeit t1 hat die rechte Wellenfront der negativen Druckwelle das rechte Ende des piezoelektrischen Elements 22 erreicht, d. h., das Ende, das dem Tintenreservoir 18 benachbart ist. In diesem Augenblick wird das Signal S32, d. h., die Spannung, die an die Elektrode 28 des Tropfenerzeugungssystems angelegt wird, für welches das Tropfenanforderungssignal D vorliegt, ebenfalls so geändert, daß auch dieses piezoelektrische Element 22 kontrahiert. Infolgedessen wird die negative Druckwelle unter dem piezoelektrischen Element 22 verstärkt (Fig. 4(b)).
Fast im gleichen Augenblick erreicht die rechte Wellenfront das stromaufwärtige, an das Tintenreservoir 18 angrenzende Ende des Tintenkanals 16. An diesem offenen Ende wird die negative Druckwelle mit einem Phasensprung von 180º reflektiert, so daß die reflektierte Welle einen positiven Druck hat.
Wenn die Wellenfront dieser positiven Druckwelle wieder die Grenze zwischen den piezoelektrischen Elementen 20 und 22 erreicht, zur Zeit t2, fällt das Signal S32 auf Null ab. Infolgedessen expandiert das piezoelektrische Element 22, und die Hochdruckwelle wird erneut verstärkt, wie in Fig. 4(c) gezeigt ist.
Zur Zeit t3 hat sich die positive Druckwelle in den Abschnitt des Tintenkanals 16 unter dem piezoelektrischen Element 20 ausgebreitet. Zu diesem Augenblick fällt das Signal S30 auf Null ab, und das piezoelektrische Element 20 expandiert, so daß die positive Druckwelle noch einmal verstärkt wird. So wird sich eine akustische Welle, die einen hohen Energiebetrag trägt, in Richtung auf die Düse 14 ausbreiten und die Erzeugung des gewünschten Tintentröpfchens verursachen.
Die Arbeitsweise der piezoelektrischen Elemente in Abwesenheit des Tropfen-Anforderungssignals D ist in Fig. 4(e)-(h) illustriert.
Zur Zeit t4 wird das piezoelektrische Element 20 auf die gleiche Weise erregt wie oben. Fig. 4(e) ist daher äquivalent zu Fig. 4(a).
Zur Zeit t5 nimmt das Signal S32 einen negativen Wert an, so daß das zugehörige piezoelektrische Element 22 expandiert. Infolgedessen wird die zur Zeit t4 erzeugte negative Druckwelle im wesentlichen durch destruktive Interferenz ausgelöscht (Fig. 4(f)).
Zur Zeit t6 steigt das Signal S32 wieder auf Null, so daß das piezoelektrische Element 22 in seine Ruhestellung kontrahiert. Infolgedessen wird sich eine negative Druckwelle in Richtung auf das piezoelektrische Element 20 ausbreiten, wie in Fig. 4(g) gezeigt ist.
Zur Zeit t7 fällt das Signal S34 auf Null ab, und das piezoelektrische Element 20 expandiert, so daß die negative Druckwelle durch destruktive Interferenz ausgelöscht wird. So ist an der Düse 14 kein nennenswerter Druck zu beobachten.
Da das durch die Tinte in der Düse gebildete System und insbesondere der Meniskus der Tintenflüssigkeit in der Düse 14 eine gewisse Stabilität hat, ist es nicht notwendig, daß die akustische Welle vollständig ausgelöscht wird, wenn kein Tropfen-Anforderungssignal vorliegt. Es genügt, daß die Amplitude der akustischen Welle so weit reduziert wird, daß kein Tröpfchen erzeugt wird.
Es mag deshalb vorteilhaft sein, die Anordnung in der Weise zu modifizieren, daß das piezoelektrische Element 20 mehr Leistung liefert als das Element 22. Dies kann erreicht werden, indem die Ausgangsspannung der Treiberschaltung 30 im Vergleich zu derjenigen der Treiberschaltung 32 erhöht wird. Da die Treiberschaltung 32 auf das Tropfen-Anforderungssignal D reagieren muß, ist es natürlich von Vorteil, wenn diese Treiberschaltung mit einer niedrigeren Spannung betrieben werden kann.
Die oben beschriebene Ausführungsform kann auf vielfältige Weise abgewandelt werden. Zum Beispiel können die piezoelektrischen Elemente 20 und 22 unterschiedliche Längen haben. Aus den oben angegebenen Gründen ist es bevorzugt, dem piezoelektrischen Element 20 eine größere Länge zu geben. Natürlich müssen die Zeiten der Signale S30 und S32 an die jeweiligen Längen der piezoelektrischen Elemente angepaßt werden.
Während bei der oben beschriebenen Ausführungsform das Signal S32 ein dreiwertiges Signal ist, kann auch ein zweiwertiges Signal verwendet werden, wie in Fig. 3 strichpunktiert angegeben ist. Diese modifizierte Wellenform des Signals S32 kann von einem periodischen Impulssignal abgeleitet werden, indem die Polarität dieses Impulssignals in Übereinstimmung mit dem Tropfen-Anforderungssignal D umgekehrt wird. In diesem Fall führt das piezoelektrische Element 22 zusätzliche Kontraktions- und Expansionshübe aus, z. B. zur Zeit td in Fig. 3. Diese zusätzlichen Hübe sind jedoch nicht stark genug, ein Tintentröpfchen zu erzeugen, so daß sie keinen nachteiligen Effekt auf die Leistung des Systems haben.
Die Treiberschaltung 32 kann z. B. implementiert werden durch einen Impulsgenerator 34, der ein periodisches Impulssignal Q liefert, und elektronische Schalter 36, die die Elektrode 28 als Reaktion auf das Tropfen-Anforderungssignal D abwechselnd auf den Ausgang Q und den invertierten Ausgang dieses Impulsgenerators schalten. In diesem Fall können die Leistungsbauelemente zum Erregen sämtlicher piezoelektrischer Elemente durch einfache Impulsgeneratoren gebildet werden, die mit einer festen Frequenz und Impulsbreite arbeiten, und das Tropfen-Anforderungssignal D wird nur an die elektronischen Schalter 36 angelegt. Diese Schalter können verhältnismäßig langsam sein, weil die Umkehrung des Signals S32 zu irgendeiner Zeit zwischen t3 und t4 erfolgen kann.
Wenn die Leistung des piezoelektrischen Elements 20 klein genug gemacht wird, so daß dieses Element allein nicht in der Lage ist, ein Tintentröpfchen zu erzeugen, ist es auch möglich, die Impulse des Signals S32 vollständig zu unterdrücken, wenn kein Tropfen-Anforderungssignal D vorliegt.
Das oben beschriebene Funktionsprinzip läßt sich einfach auf Anordnungen mit drei oder mehr piezoelektrischen Elementen je Tintenkanal erweitern. Es ist auch möglich, die Positionen des periodisch erregten Wandlers 20 und des Wandlers 22, der als Reaktion auf das Tropfen-Anforderungssignal erregt wird, in der Weise zu ändern, daß der letztere Wandler 22 näher an der Düse liegt als der Wandler 20. In diesem Fall versteht es sich, daß die Erregung entsprechend geändert werden sollte.
Es ist daher zu bemerken, daß die Erfindung nicht auf die hier ausdrücklich beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist, sondern sämtliche Modifikationen umfaßt, die unter die beigefügten Ansprüche fallen.

Claims

1. Tintenstrahlsystem mit einem Tintenkanal (16) zwischen einem Tintenreservoir (18) und einer Düse (14) und mit einer angrenzend an den Tintenkanal angeordneten Druckerzeugungseinrichtung (20, 22), die dazu dient, die Tinte unter Druck zu setzen, so daß ein Tintentröpfchen aus der Düse ausgestoßen wird, wobei:

der Tintenkanal (16) einen im wesentlichen rechteckigen guerschnitt und eine Tiefe d hat, die größer ist als die Höhe der Düse (14),

die Druckerzeugungseinrichtung einen ersten elektromechanischen Wandler (20) mit einem plattenförmigen expandierbaren Element mit einer Höhe H in Richtung der Tiefe des Tintenkanals aufweist,

wenigstens ein zweiter elektromechanischer Wandler (22) an dem Tintenkanal (16) angeordnet ist und so erregt wird, daß er eine Druckvorspannung (Pb) in dem Tintenvolumen erzeugt, bevor dieses durch den ersten Wandler unter Druck gesetzt wird, und

beide Wandler (20, 22) durch impulsartige Spannungssignale (S30, S32) so erregt werden, daß jeder Wandler zunächst kontrahiert und dann expandiert, welches System dadurch gekennzeichnet ist, daß:

das Verhältnis H/d kleiner ist als das Verhältnis (Ep/Ei) zwischen den jeweiligen Elastizitätsmoduln (Ep, Ei) des expandierbaren Elements und der Tintenflüssigkeit,

die Wandler (20, 22) der Reihe nach längs des Tintenkanals (16) angeordnet sind und durch verschachtelte Impulse derart erregt werden, daß sie einer nach dem anderen in der Reihenfolge von der Düse (14) zum Tintenreservoir (18) kontrahiert und dann einer nach dem anderen in umgekehrter Reihenfolge expandiert werden, um in der Tintenflüssigkeit eine akustische Druckwelle zu erzeugen, die sich in Längsrichtung des Tintenkanals ausbreitet, und diese Welle zu verstärken, wenn sie die Wandler passiert, und

die Tiefe d des Tintenkanals (16) so gewählt ist, daß Energieverluste infolge der Reflexion der akustischen Welle an der Übergangsstelle vom Tintenkanal zur Düse minimiert werden.

2. Tintenstrahlsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem wenigstens einer (22) der Wandler als Reaktion auf ein Tropfen-Anforderungssignal (D) erregt wird, während wenigstens ein anderer Wandler (20) periodisch erregt wird, unabhängig von der An- oder Abwesenheit des Tropfen-Anforderungssignals.

3. Tintenstrahlsystem nach Anspruch 2, bei dem der Wandler (20), der periodisch erregt wird, derjenige Wandler ist, der der Düse (14) am nächsten liegt.

4. Tintenstrahlsystem nach Anspruch 2 oder 3, bei dem der Wandler (22), der als Reaktion auf das Tropfen-Anforderungssignal (D) erregt wird, ein Impulssignal (S32) empfängt, mit einem solchen Timing und/oder einer solchen Polarität in Bezug auf das Timing und/oder die Polarität des an den anderen Wandler (20) angelegten periodischen Signals (S30), daß die von jedem der Wandler (20, 22) erzeugten akustischen Wellen konstruktive Interferenz zeigen, wenn das Tropfen-Anforderungssignal vorhanden ist, und destruktive Interferenz, wenn das Tropfen-Anforderungssignal nicht vorhanden ist.

5. Tintenstrahlsystem nach Anspruch 4, bei dem das als Reaktion auf das Tropfen-Anforderungssignal an den Wandler (22) angelegte Signal (S32) ein dreiwertiges Signal ist, das je nach Zustand des Tropfen-Anforderungssignals (D) entweder positive oder negative Impulse in Bezug auf ein Null-Potential aufweist.

6. Tintenstrahlsystem nach Anspruch 4 oder 5, bei dem eine Treiberschaltung (32) zum Erregen des Wandlers (22) als Reaktion auf das Tropfen-Anforderungssignal (D) einen Impulsgenerator (34) zum Erzeugen eines periodischen Impulssignals (Q) und Mittel (36) zum Invertieren dieses Imulssignals je nach An- oder Abwesenheit des Tropfen-Anforderungssignals aufweist.