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Diese Erfindung bezieht sich allgemein
auf die Beeinflussung des elektrischen Feldes von Tintentropfen
beim Drucken.
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Herkömmliche Tintenstrahldruckverfahren wenden
verschiedene Verfahren an, um gegen den Druckträger gerichtete Tintentropfen
zu erzeugen. Bekannte Vorrichtungen für den Tintenstrahldruck schließen Thermotintenstrahldruckköpfe, piezoelektrische
Unwandler-Druckköpfe
und akustische Tintenstrahldruckköpfe ein. Alle diese Techniken
erzeugen annähernd
kugelförmige
Tintentropfen mit einem Durchmesser von 15–100 Mikrometern, die mit einer Geschwindigkeit
von 4 m/sec auf den Druckträger gerichtet
sind. Die Ausgeber in den Druckköpfen,
die die Tintentropfen produzieren, werden von einer Druckersteuerung
gesteuert. Die Druckersteuerung aktiviert den Ausgeber in Verbindung
mit der Bewegung des Druckträgers
relativ zum Druckkopf. Durch Steuerung der Aktivierung des Ausgebers
und der Bewegung des Druckträgers
lenkt die Drucksteuerung die Tintentropfen, damit sie in einem bestimmten
Muster auf den Druckträger
auftreffen und auf diese Weise eine Abbildung auf dem Druckträger bilden.
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Idealerweise erzeugen alle Ausgeber
in einem Druckkopf Tintentropfen, die in einer Richtung senkrecht
zu dem Druckträger
auf den Druckträger gerichtet
sind. In der Praxis jedoch werden einige der Tintentropfen nicht
genau in einer Richtung senkrecht auf den Druckträger ausgerichtet.
Die von der gewünschten
Trajektion abweichenden Tintentropfen sind unerwünscht, da die fehlgeleiteten
Tintentropfen auf einer von der Drucksteuerung nicht vorhergesehenen
Stelle auftreffen. Deshalb beinträchtigen fehlgeleitete Tintentropfen
durch ein Auftreffen auf den Druckträger an einer ungewollten Position
die Qualität
der gedruckten Abbildung.
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US-A-4,386, 358 und 4,379,301 von
Fischbeck legen ein Verfahren zur elektrostatischen Ablenkung der
aus einem Tintenstrahldruckkopf ausgestoßenen elektrisch geladenen
Tintentropfen offen. Die von Fischbeck offen gelegten auf den Elektroden am
Druckkopf aufgebrachten Ladungen werden gesteuert, um die geladenen
Tintentropfen in die erwünschte
Richtung zu lenken und so die bekannte Bewegung des Druckkopfs zu
kompensieren. Durch elektrostatische Lenkung der geladenen Tintentropfen
kom pensiert das von Fischbeck offen gelegte Verfahren die Tintentropfenfehlleitung,
die von der bekannten Druckkopfbewegung bei Ausstoß des Tintentropfens
verursacht wird.
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Jedoch kompensiert das von Fischbeck
offengelegte Verfahren der elektrostatischen Ablenkung unvorhersehbare
Umweltfaktoren nicht, die einen Effekt auf die Trajektorie eines
Tintentropfens haben können.
Derartige Umweltfaktoren schließen Luftströmungen und
Temperaturgradienten zwischen dem Druckkopf und dem Druckträger ein.
In akustischen Tintenstrahldruckköpfen wirken auch unvorhersehbare
Varianten in der Dynamik der Tintentropfenbildung auf die Trajektorien
der Tintentropfen ein. Einige der Varianten in der Tintentropfenbildung
werden von Abbildungsfehlern in der Lithographie der Fresnel-Linse
verursacht, die die akustische Welle einstellt, die verwendet wird,
um die Tintentropfen zu erzeugen.
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JP-A-62267146 legt einen Tintenstrahldrucker
nach dem vorher gekennzeichneten Teil in Anspruch 1 offen.
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Entsprechend der vorliegenden Erfindung, stellen
wir einen Tintenstrahldrucker bereit, der dadurch gekennzeichnet
ist, dass die Tropfenausstoßeinrichtung
einen geladenen Druckträger
enthält,
der eine Ladung an der Oberfläche
der Tinte induziert, so dass die vertriebenen Tropfen aufgeladen
werden und dies die Tropfen in einer Richtung senkrecht zu dem Druckträger beschleunigt.
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Diese Endung stellt eine Vorrichtung
bereit, welche die unvorhersehbaren Umweltfaktoren, die die Tintentropfen
veranlassen, eine andere als die erwünschte Trajektorie zu haben,
kompensiert.
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Die Endung stellt ebenso eine Vorrichtung bereit,
die die Tintentropfen in eine Richtung senkrecht zu dem Druckträger beschleunigt,
so dass weniger Tinte benötigt
wird, um eine Abbildung zu erzeugen und Crockle und Rollneigung
reduziert oder vermindert werden.
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Diese Erfindung kompensiert Abweichungen von
der erwünschten
Trajektorie jedes von dem Druckkopf ausgestoßenen Tintentropfens durch
Beschleunigung der Tintentropfen in einer Richtung senkrecht zu
dem Druckträger.
Jeder durch den Druckkopf ausgesto ßene Tintentropfen wird durch elektrostatische
Anziehung in Richtung auf den Druckträger beschleunigt. Die Beschleunigung
jedes Tintentropfens in Richtung auf den Druckträger kompensiert die verschiedenen
die Trajektorie des Tintentropfens beeinflussenden Umweltfaktoren
durch Verkürzung
der Flugzeit jedes Tintentropfens. Durch die Verkürzung der
Flugzeit jedes Tintentropfens haben die Umweltfaktoren, die dazu
neigen, den Tintentropfen aus einer erwünschten Trajektorie zu zwingen,
weniger Zeit, auf den Tintentropfen einzuwirken. Deshalb leiten
die Umweltfaktoren jeden Tintentropfen in einem geringeren Ausmaß fehl,
als wenn der Tintentropfen sich langsamer in Richtung auf den Druckträger bewegt
hätte.
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Durch die Beschleunigung der Tintentropfen in
einer Richtung senkrecht zu dem Druckträger vergrößert die Erfindung ebenso die
erzeugte Punktgröße, wenn
der Tintentropfen auf den Druckträger auftrifft. Die erhöhte Punktgröße resultiert
aus einer erhöhten
Ausdehnung bei dem Auftreffen auf den Druckträger und bedeutet, dass weniger
Tinte gebraucht wird, um eine Abbildung auf dem Druckträger zu erzeugen.
Im Allgemeinen werden Crockle und Rollneigung eines Druckträgers durch
eine Sättigung des
Druckträgers
mit Tinte verursacht. Da jedoch die zur Erzeugung einer Abbildung
auf dem Druckträger benötigte Tintenmenge
verringert ist, werden Crockle und Rollneigung des Druckträgers vermindert
oder beseitigt.
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Die Tintentropfen können durch
elektrostatische Ablenkung der Tintentropfen in eine Richtung parallel
zu dem Druckträger
gelenkt werden. Durch eine angemessene Steuerung der elektrostatischen Ablenkung
werden die durch jede Druckzeile der Ausgeber im Druckkopf erzeugten
Tintentropfen selektiv gelenkt, um auf dem Druckträger sowohl
links von einer zentralen Position als auch rechts von einer zentralen
Position aufzutreffen. Die nicht abgelenkten Tintentropfen treffen
in der zentralen Position auf den Druckträger auf. Das bedeutet, dass
jeder Ausgeber wenigstens zwei vertikale Druckreihen von Punkten
auf dem Druckträger
erzeugen kann. Deshalb ist die Anzahl der durch jeden Ausgeber erzeugten
unterschiedlich positionierten Punkte erhöht.
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Die vorliegende Erfindung wird durch
Beispiele und mit Bezug auf die folgenden Abbildungen, in denen
die Referenzzahlen auf gleiche Elemente hinweisen, ausführlicher
beschrieben:
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1 ist
ein Blockdiagramm der allgemein bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung,
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2 ist
ein Vergleichsausführungsbeispiel,
bei dem die Tropfen in Richtung auf einen Druckträger beschleunigt
und von auf der Oberfläche des
Druckkopfs gebildeten Elektroden gelenkt werden,
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3 zeigt
ein zur elektrostatischen Lenkung von Tintentropfen genutztes Set
von Elektroden in Kammstruktur,
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4 zeigt
ein von einem herkömmlichen Druckkopf
erzeugtes Punktmuster,
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5 zeigte
ein von den bevorzugten Ausführungsbeispielen
der Erfindung erzeugtes Punktmuster,
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6 ist
ein Flussdiagramm der Steuerung der Beschleunigung und Lenkung der
Tintentropfen in dem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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7 ist
ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung, bei dem die statische Ladung auf dem Druckträger zur
Aufladung und Beschleunigung der Tintentropfen in Richtung auf den
Druckträger
dient.
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1 zeigt
die Datenkommunikation zwischen einer Drucksteuerung 1,
einer Papiervorschubvorrichtung 2, einer Vielzahl von Tintenstrahlausgebern 11 und
den Elektroden 3 in den allgemein bevorzugten Ausführungsbeispielen
der Erfindung. Die Drucksteuerung kommuniziert direkt mit der Papiervorschubvorrichtung 2 und
steuert die Papiervorschubvorrichtung 2, die den Druckträger relativ
zu dem Druckkopf bewegt. Der Druckträger ist im Allgemeinen ein
Blatt Papier, kann jedoch auch von anderen Materialien gebildet
werden. In den folgenden bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
ist der Tintenstrahldruckkopf ein blattbreiter Druckkopf und der
Druckträger
wird relativ zu dem Druckkopf bewegt. Dennoch sind andere Ausführungsbeispiele möglich, einschließlich dem,
eine Tintenstrahldruckkopf-Patrone relativ zu dem Druckträger zu bewegen oder
dem, die Tintenstrahldruckkopf-Patrone und den Druckträger simultan
zu bewegen.
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Die Drucksteuerung 1 kontrolliert
auch ein im Druckkopf gebildetes Set von Tintentropfenausgebem 11.
In den folgenden bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
wird ein akustischer Tintentropfendruckkopf verwendet, obwohl andere
Typen von Tintentropfenausgebem möglich sind, einschließlich Thermotintenstrahl-
und piezoelektrischer Umwandler-Tintenstrahlausgeber.
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Schließlich kommuniziert die Drucksteuerung 1 direkt
mit einem oder mehreren Set von Elektroden 3 und kontrolliert
ein oder mehrere Set von Elektroden 3, die Tintentropfen
in Richtungen senkrecht und parallel zu dem Druckträger beschleunigen.
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2 zeigt
ein Vergleichsausführungsbeispiel.
Ein Druckkopf 18 stößt durch Öffnungen 13 unter
Verwendung eines akustischen Ausgebers 11 Tintentropfen 10 in
Richtung auf einen Druckträger 15 aus.
Jeder Ausgeber 11 weist piezoelektrische Schwinger auf,
die eine Schallwelle in der Tinte erzeugen. Eine Linse, wie zum
Beispiel eine Fresnel-Linse, richtet die Welle auf die Tintenoberfläche 12.
Der akustische Druck auf der Tintenoberfläche 12 verursacht
die Bildung eines Tintentropfens 10, der mit einer Ausstoßgeschwindigkeit
von circa 4 m/sec auf den Druckträger 15 gerichtet ist.
Welleneffekte auf der Tintenoberfläche 12 und andere
physikalische Effekte verursachen Unterschiede in der Geschwindigkeit
und in der Trajektorie der Tintentropfen 10. Obwohl alle
Tintentropfen idealerweise in einer Richtung senkrecht auf den Druckträger 15 gerichtet sind,
werden in der Praxis einige der Tintentropfen 10 fehlgeleitet
und weisen Geschwindigkeitskomponenten parallel zu dem Druckträger 15 auf.
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Positive Ionen in der Tinte sammeln
sich auf der Tintenoberfläche
als Reaktion auf eine hohe negative Spannung (circa –1000 V),
aufgebracht auf die Ladeplatte 14, die hinter dem Druckträger 15 angeordnet
ist.
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Dieser Effekt wird durch die Vorwölbung der Tinte
während
der Bildung des Tintentropfens 10 verstärkt. Daher wird, wenn jeder
Tintentropfen 10 sich von der Tintenoberfläche 12 trennt,
der Tintentropfen 10 positiv geladen. Der positiv geladene
Tintentropfen 10 trägt
eine Ladung in der Größenordnung
2 × 10–14C
und wird stark in Richtung Ladeplatte 14 angezogen. Während der
Tintentropfen 10 die Strecke von 1 mm, die den Druckkopf 18 von
dem Druckträger 15 trennt,
zurücklegt,
wird der Tintentropfen 10 auf das 3 oder 4fache seiner
ursprünglichen
Ausstoßgeschwindigkeit
oder circa 12–16
m/sec beschleunigt. Die Beschleunigung des Tintentropfens 10 verringert
die Flugzeit, die der Tintentropfen 10 benötigt, um
die 1 mm Strecke zu dem Druckträger 15 zurückzulegen.
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Folglich haben die Umweltfaktoren,
wie zum Beispiel Luftströme,
Temperaturgradienten, verschiedene Ausformungsvarianten der Tintentropfen,
die die Fehlleitung des Tintentropfens 10 verursachen, nur
eine geringere Zeitspanne, um auf den Tintentropfen 10 einzuwirken.
Dementsprechend tendieren die Tintentropfen 10 dazu, näher an der
erwünschten Position
(direkt gegenüber Öffnung 13)
auf dem Druckträger
aufzutreffen, als wenn die Tintentropfen nicht in Richtung auf den
Druckträger 15 beschleunigt
werden.
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Es wird vorausgesetzt, dass der Tintentropfen 10 zum
Beispiel eine Geschwindigkeitskomponente von 4 m/sec in einer Richtung
senkrecht zu dem Druckträger 15 aufweist.
Demnach benötigt
der Tintentropfen 10 0,25 Millisekunden, um die Strecke von
1 mm, die den Druckkopf 18 und den Druckträger 15 trennt,
zurückzulegen.
Des Weiteren wird vorausgesetzt, dass der Tintentropfen 10 wegen
eines Instabilitätseffektes
bei der Erzeugung des Tropfens 10 eine Geschwindigkeitskomponente
von entsprechend 0,01 ms in einer Richtung parallel zu dem Druckträger 15 aufweist.
Demnach wird der Tintentropfen 10 auf dem Druckträger 15 an
einem Punkt auftreffen, der circa 2,5 Mikrometer von der erwünschten
Position entfernt ist. Wenn der Tintentropfen 10 in Richtung
auf den Druckträger 15 beschleunigt
wäre, sodass
die Flugzeit des Tintentropfens 10 um die Hälfte, 0,125 ms, verkürzt würde, wäre der Tintentropfen 10 auf
den Druckträger 15 an
einem Punkt, der circa 1,25 Mikrometer von dem erwünschten
Punkt entfernt ist, aufgetroffen.
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In 2 werden
gleichfalls die Steuerelektroden 16 und 17 gezeigt,
die auf der Fläche
des Druckkopfs 18 gebildet sind. Eine Isolationsschicht 20 trennt
die Steuerelektroden 16 und 17 von dem Druckkopf 18 und überzieht
auch die Steuerelektroden 16 und 17. Die Steuerelektroden 16 und 17 werden
von einer Isolationsschicht 20 umhüllt, um Kurzschlüsse und
Korrosion der Steuerlektroden 16 und 17 durch
verstreute Tintentröpfchen
oder andere Fremdkörper
an den Steuerelektroden 16 und 17 zu vermeiden.
Die Steuerelektroden 16 und 17 können auf
dem Druckkopf 18 auf verschiedene Weise gebildet werden,
so durch Rasterdruck, durch Kathodenzerstäubungsbeschichtung unter Verwendung
einer Lochmaske, durch photolithographische Muster oder andere lithographische
Standardtechniken. Die Steuerelektroden 16 und 17 werden
vorzugsweise aus einem leitenden Metall, wie zum Beispiel Aluminium, Gold,
Nickel oder dergleichen gebildet.
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Die Steuerelektroden 16 und 17 kommunizieren
mit der Drucksteuerung 1, die selektiv die Steuerelektroden 16 und 17 lädt, um die
geladenen Tintentropfen 10 in eine erwünschte Richtung zu lenken.
Ein Tintentropfen 10 zum Beispiel, der von einer Öffnung
13,
positioniert rechts von einer ersten Steuerelektrode 16 mit
einer Spannung von –100
V und links von einer zweiten Steuerelektroden 17 mit einer Spannung
von +100 V, ausgestoßen
wird, wird nach links in Richtung auf die erste Steuerelektrode 16 in Übereinstimmung
mit allgemein bekannten elektrostatischen Prinzipien abgelenkt.
Gleichermaßen wird,
wenn die Spannungen der Steuerelektroden 16 und 17 umgekehrt
werden, der Tintentropfen 10 nach rechts abgelenkt. Wenn
die Steuerelektroden 16 und 17 beide auf eine
O-V-Spannung gesetzt werden, wird der Tintentropfen 10 in
einer geradlinigen Trajektorie unterwegs sein und wird weder zu
der linken noch zu der rechten Seite gerichtet. Fachleute werden
erkennen, dass andere Voltspannungen verwendet werden können.
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3 zeigt
eine mögliche
Anordnung der Steuerelektroden 16 und 17 auf dem
Druckkopf 18. Die Steuerelektroden 16 und 17 sind
in einer Kammstruktur angeordnet, und ein Teil der Steuerelektroden 16 und 17 liegt
zwischen jeder Druckspalte 19 der Öffnungen 13. Hierfür kann die
Drucksteuerung 1 die Voltspannungen an den Steuerelektroden 16 und 17 so
setzen, dass eine ganze Spalte 19 der Öffnungen 13 Serien
von Tintentropfen 10 entweder in Richtung nach rechts,
nach links oder gradlinig ausstößt.
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4 zeigt
ein von einem herkömmlichen akustischen
Tintenstrahldruckkopf erzeugtes Punktmuster, das ein Auflösungsvermögen von
600 Punkten pro Inch (spi) aufweist. Öffnungen innerhalb einer Spalte 19 der Öffnungen 13 in
dem herkömmlichen akustischen
Tintenstrahldruckkopf sind mit einem Mittenabstand von circa 43
Mikrometern in einer Richtung senkrecht zu den Spalten 19 versetzt.
Daher liegen die von den Öffnungen 13 erzeugten
Punkte ungefähr
43 Mikrometer auseinander und ergeben deshalb eine Auflösung von
600/spi.
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5 zeigt
ein von dem Ausführungsbeispiel
in 2 erzeugtes Punktmuster.
Wie auch in dem herkömmlichen
akustischen Tintenstrahldruckkopf sind die Öffnungen 13 in den
bevorzugten Ausführungsbeispielen
ebenfalls in Mittenabständen
von 43 Mikrometern versetzt. Da jedoch die Steuerelektroden 16 und 17 durch
die Drucksteuerung 1 gesteuert werden, um die Tintentropfen 10 sowohl
nach links als auch nach rechts abzulenken, wird die Auflösung des
Druckkopfes 18 erhöht.
Die Steuerelektroden 16 und 17 werden derartig
gesteuert, dass die linken und rechten Punkte cir ca 14 Mikrometer
von der Mittelpunktposition des Punktes abgelenkt werden. Dieses
bringt 3 Punkte innerhalb jedes 43-Mikrometer-„Pixels", zentriert auf jeder Spalte 19 der Öffnungen 13,
unter und führt
zu einem Mittenabstand der Punkte von circa 14–15 Mikrometer. Ein Punkt im
Abstand von circa 14 Mikrometer ergibt eine Auflösung von ungefähr 1.800/spi
in der horizontalen Richtung.
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Da der herkömmliche akustische Tintenstrahldruckkopf
das in 4 gezeigte Punktmuster erzeugt
und eine relativ geringere Auflösung
aufweist, verbraucht der herkömmliche
akustische Tintenstrahldruckkopf mehr Tinte (d. h. mehr Tintentropfen
pro Flächeneinheit)
als ein Druckkopf mit höherer Auflösung, um
eine Abbildung auf dem Druckträger herzustellen.
Höherer
Tintenverbrauch sättigt
den Druckträger
mit der Tinte und resultiert in Crockle und Rollneigung des Druckträgers. Eine
höhere
Druckkopfauflösung
weist ebenfalls eine bessere Steuerung der Grautöne auf, d. h. der Fähigkeit,
verschiedene Grauschattierungen in einer gedruckten Abbildung zu
erzeugen.
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6 ist
ein Flussdiagramm für
die Steuerung des Vergleichsausführungsbeispiels
in Schritt S10, wobei durch die Drucksteuerung 1 eine Ladung der
Ladeplatte 14 auf –1000
V erfolgt. In Schritt S20 bewegt die Drucksteuerung als nächstes den
Druckträger 15 relativ
zu dem Druckkopf 18. In Schritt S30 erdet die Drucksteuerung
die Steuerelektroden 16 und 17 auf 0 V, und die
Tintentropfen 10 werden von den erwünschten Öffnungen 13 in Schritt
S40 ausgestoßen.
Diese Schrittfolge erzeugt die zentralen Punkte durch die Spalten 19 der Öffnungen 13,
wie in 5 gezeigt.
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In Schritt S50 werden die Steuerelektroden 16 und 17 von
der Drucksteuerung 1 auf jeweils +100 V und –100 V geladen.
In Schritt S60 werden die Tintentropfen 10 von den erwünschten Öffnungen 13 ausgestoßen, um
eine Serie von links oder rechts abgelenkten Punkten zu erzeugen,
abhängig
davon, auf welcher Seite sich die Steuerelektroden 16 und 17
im Verhältnis
zu den Spalten 19 der Öffnungen 13 befinden.
In Schritt S70 werden die Steuerelektroden 16 und 17 von
der Drucksteuerung 1 auf jeweils –100 V und +100 V geladen.
Das bedeutet, dass in Schritt S70 die Steuerelektroden 16 und 17 entgegengesetzt
zu den in Schritt S50 verwendeten Ladungen geladen sind. Die Tintentropfen 10 werden
dann von den erwünschten Öffnungen 13 in
Schritt S80 ausgestoßen,
um ein weiteres Set von links oder rechts abgelenkten Tintentropfen 10 zu
erzeugen, die entgegengesetzt der in Schritt S60 ausgestoßenen abgelenkt
werden. In Schritt S90 stellt die Drucksteuerung 1 fest,
ob mehr Druckarbeit geleistet werden muss. Falls ja, springt die
Steuerung zurück
auf Schritt S30. Andernfalls stoppt die Drucksteuerung 1 das
Drucken.
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7 zeigt
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Der Druckkopf 18 wird auf die gleiche Art
und Weise wie in dem Vergleichsausführungsbeispiel konfiguriert
und arbeitet ebenso, um die Tintentropfen 10 auszustoßen. Jedoch
wird eine geerdete Platte hinter dem Druckträger 15 angeordnet
und mit dem Boden verbunden. Eine Koronaentladungsvorrichtung 31 oder
eine gleichartige Vorrichtung bringt eine negative Ladung auf die
Oberfläche des
Druckträgers 15 auf.
Die negative Oberflächenladung
auf dem Druckträger 15 wirkt
identisch wie die Ladeplatte 14 des Vergleichsausführungsbeispiels. Die
Steuerung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung ist die gleiche, wie in 6 gezeigt,
mit der Ausnahme, dass in Schritt S10 die Drucksteuerung die Koronaentladungsvorrichtung 31 anweist,
die negative Oberflächenspannung
auf den Druckträger 15 aufzubringen.
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Ein weiterer Unterschied zwischen
dem vergleichenden und dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der, dass
die in dem zweiten Ausführungsbeispiel
durch die auf den Druckträger
aufgebrachte Oberflächenspannung
erzeugte Voltspannung um einiges höher sein muss, möglicherweise –2000 V,
um ein angemessenes Laden und Beschleunigen der Tintentropfen 10 aufrechtzuerhalten.
Der Grund dafür ist,
dass beim Auftreffen der positiv geladenen Tintentropfen 10 auf
dem Druckträger
die negative Oberflächenspannung
auf dem Druckträger 15 leicht neutralisiert
wird. Die relativ höhere
statische Spannung auf dem Druckträger 15 kompensiert
den neutralisierenden Effekt der positiv geladenen, auf den Druckträger 15 auftreffenden
Tintentropfen 10.