DE69911289T2

DE69911289T2 - Verfahren zum Ausstossen einer elektrisch leitenden Flüssigkeit und kontinuierliche Tintenstrahldruckvorrichtung für ein solches Verfahren

Info

Publication number: DE69911289T2
Application number: DE69911289T
Authority: DE
Inventors: Stephane Vago; Max Perrin
Original assignee: Imaje SA
Current assignee: Markem Imaje SAS
Priority date: 1998-04-10
Filing date: 1999-04-06
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2019-04-07
Also published as: FR2777211B1; EP0949077B1; FR2777211A1; US6273559B1; DE69911289D1; ES2207918T3; EP0949077A1

Description

Gebiet der Technik
sDie Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ausstoßen einer elektrisch leitenden Flüssigkeit in Form mindestens eines kontinuierlichen, stimulierten Strahls.
Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Mehrfachdüsen-Druckvorrichtung, die dieses Verfahren einsetzt.
Eine Druckvorrichtung gemäß der Erfindung kann auf allen industriellen Gebieten eingesetzt werden, die mit der Markierung, der Codierung, der Adressierung und der industriellen Dekoration verbunden sind.
Stand der Technik
Im aktuellen Stand der Technik bestehen zwei Hauptdrucktechnologien durch kontinuierlichen stimulierten Tintenstrahl. Es handelt sich um die Technik des kontinuierlichen, abgelenkten Tintenstrahls bzw. um die Technik des kontinuierlichen digitalen Tintenstrahls.
Gemäß der Technik des abgelenkten kontinuierlichen Tintenstrahls entweicht elektrisch leitende Tinte, die unter Druck gehalten ist, aus einer kalibrierten Düse. Unter der Einwirkung einer periodischen Stimulierungsvorrichtung wird der so gebildete Tintenstrahl in regelmäßigen Zeitintervallen an einem einzigen Punkt im Raum unterbrochen. Diese Zwangsfragmentierung des Tintenstrahls wird für gewöhnlich durch periodische Vibrationen eines piezoelektrischen Kristalls induziert, der stromauf der Düse angeordnet ist. Von diesem Unterbrechungspunkt an verwandelt sich der kontinuierliche Strahl in eine Abfolge von identischen und regelmäßig beabstandeten Tintentröpfchen. In der Nachbarschaft des Unterbrechungspunkts ist eine erste Elektrodengruppe plaziert, deren Funktion es ist, jedem Tintentropfen auf selektive Weise eine elektrische Ladungsmenge zu vermitteln, die variabel und vorbestimmt ist. Die Gesamtheit der Tintentröpfchen durchquert anschließend eine zweite Elektrodengruppe, an denen ein konstantes elektrisches Feld herrscht. Jedes Tröpfchen wird dabei einer Ablenkung ausgesetzt, welche proportional zu der elektrischen Ladung ist, die ihm vorher vermittelt wurde, und die es auf einen genauen Punkt eines Druckträgers richtet. Die nicht-abgelenkten Tröpfchen werden durch eine Auffangrinne wiedergewonnen und in einen Tintenkreislauf zurückgeführt.
Bei den gemäß dieser Technik funktionierenden Tintenstrahldruckern ist für gewöhnlich eine spezifische Vorrichtung vorgesehen, um eine konstante Synchronisierung zwischen den Unterbrechungsmomenten des Strahls und dem Anlegen von Ladungssignalen an die Tröpfchen zu gewährleisten.
Diese Technologie ist hauptsächlich durch die Tatsache gekennzeichnet, daß eine variable elektrische Ladungsmenge selektiv jedem Tröpfchen des Strahls vermittelt wird, so daß eine Vielzahl von Ablenkungsniveaus geschaffen werden. Diese Eigenschaft ermöglicht es einer einzelnen Düse, segmentweise (Punktzeilen einer gegebenen Größe) die Gesamtheit eines Motivs (Buchstabe oder graphisches Motiv) zu drucken. Der Übergang von einem Segment zum anderen erfolgt durch kontinuierliche Verschiebung senkrecht zu den Segmenten des Druckträgers gegenüber der Druckvorrichtung.
Für die Anwendungen, die eine geringfügig größere Druckbreite erfordern, können mehrere Einzeldüsen-Druckvorrichtungen (im allgemeinen zwei bis vier) in ein und demselben Gehäuse zusammengefaßt sein bzw. werden.
Wenn die Druckbreiten groß werden, wird die Verwendung von Mehrfachdüsen-Druckvorrichtungen obligatorisch. Das Dokument EP-A-0 512 907 beschreibt eine Mehrfachdüsen-Druckvorrichtung (mit 8 Düsen), welche die Technologie des kontinuierlichen abgelenkten Tintenstrahls einsetzt. Indem mehrere Mehrfachdüsen-Druckvorrichtungen nebeneinander angeordnet werden, können noch größere Druckbreiten erzielt werden.
Die Druckvorrichtungen mit kontinuierlichem, stimuliertem Tintenstrahl, welche die Technik des digitalen kontinuierlichen Strahls anwenden, unterscheiden sich von den Druckvorrichtungen, welche die Technik des kontinuierlichen, abgelenkten Strahls anwenden, hauptsächlich durch die Tatsache, daß jedem Tröpfchen des Strahls nur die vorbestimmte elektrische Ladungsmenge nach Bedarf vermittelt werden kann. Dabei wird ein einziges Ablenkungsniveau der Tröpfchen geschaffen. Der Druck von Buchstaben oder Motiven erfordert also die Verwendung von Mehrfachdüsen-Druckvorrichtungen, bei denen der Achsabstand bzw. Mittenabstand zwischen den Düsen allgemein mit dem Abstand zwischen den Auftreffstellen auf dem Druckträger koinzidiert. Im allgemeinen sind die zum Druck vorgesehenen Tröpfchen ("zu druckende Tröpfchen" im folgenden Text) Tröpfchen, die nicht abgelenkt sind bzw. werden. Diese Technik ist besonders geeignet für Hochgeschwindigkeits-Druckanwendungen wie z.B. die Adressierung, den Druck von Abzügen mit hoher Auflösung, etc.
Bei den Druckvorrichtungen durch kontinuierlichen, digitalen Tintenstrahl können bestimmte Bestandteile der Elektrodengruppen zur Ladung und zur Ablenkung für diese beiden Elektrodengruppen gemeinsam gestaltet werden. In jedem Fall müssen die zur Aufladung der Tröpfchen jedes Strahls vorgesehenen Elektroden einzeln mit der Tröpfchen-Bildungsfrequenz gesteuert werden, und zwar mit Spannungspegeln, die 350 V erreichen können.
Die Herstellung und die Nebeneinanderstellung mit sehr feiner Teilung der Gesamtheit der Düsen und der Elektroden einer Mehrfachdüsen-Druckvorrichtung, die gemäß der Technik des digitalen kontinuierlichen Tintenstrahls funktioniert, lassen größere Probleme der Kosten und der Konzeption entstehen.
Die Kostenprobleme sind auf die Vervielfachung der Ladeelektroden und die Vervielfachung der elektronischen Hochspannungsschaltungen, die mit diesen Elektroden verbunden sind, zurückzuführen, welche zu einer umfangreichen und komplexen Verkabelung führen.
Die Konzeptionsprobleme sind mit der sehr dichten Hochspannungs-Verkabelung in Nähe der Strahlen verbunden, welche unerwünschte Störungen hervorrufen. Die Auswirkung dieser Störungen auf die Druckqualität kann nur durch eine Reduktion der Aufbringungsrate der Tröpfchen und folglich der Druckgeschwindigkeit begrenzt werden.
In dem Artikel "Binary Continuous Thermal Ink Jet Break off Length Modulation" von Donald J. Drake, veröffentlicht im Xerox Disclosure Journal, Vol. 14, Nr. 3 vom Mai/Juni 1989 wird eine Mehrfachdüsen-Druckvorrichtung mit kontinuierlichen digitalen Strahlen vorgeschlagen, deren Konzeption im Hinblick auf die Beseitigung der oben genannten Nachteile modifiziert wurde.
Gemäß der herkömmlichen Technologie des kontinuierlichen digitalen Strahls schlägt dieser Artikel die Verwendung von zwei Elektrodengruppen vor, von denen jede von einer planen Elektrode gebildet ist. In diesem Fall gehört aber jede Elektrode der Gesamtheit der Strahlen an und ist einer konstanten elektrischen Spannung ausgesetzt. Die Auswahl der zu druckenden Tröpfchen und der zurückzuführenden Tröpfchen erfolgt dabei über eine individuelle Steuerung der Stimulierung jedes der Tintenstrahlen des Druckkopfs. Zu diesem Zweck ist eine individuelle Stimuliervorrichtung jedes der Strahlen vorgesehen.
Zn dieser Anordnung ist die mit den Stimuliervorrichtungen verbundene Verkabelung stromauf der Düsen und damit entfernt von den Strahlen angeordnet. Außerdem vermittelt sie geringere Spannungspegel als die, die zur Aufladung der Tröpfchen erforderlich sind. Die Störungseffekte werden also reduziert.
Gemäß dem Artikel von Donald J. DRAKE wird je nach Bedarf an jeden der Strahlen ein Stimulierungssignal mit niedrigem Pegel oder mit hohem Pegel angelegt. Wenn ein Stimulierungssignal mit niedrigem Pegel angelegt wird, wird der Unterbrechungsort des Strahls an einem weiter von der Düse entfernten Punkt festgelegt als dann, wenn das an den Strahl angelegte Stimulierungssignal einen hohen Pegel aufweist.
Im ersteren Fall ist der Unterbrechungspunkt des Strahls gegenüber der ersten Elektrode oder der Ladeelektrode gelegen, die auf eine konstante Spannung V_c gebracht wurde. Das Tröpfchen, das sich in diesem Augenblick loslöst, trägt dabei eine Ladung Q1 mit sich fort und ist einer Ablenkung eines Winkels δ1 in dem von der zweiten Elektrode oder der Ablenkelektrode, die auf eine konstante Spannung V_d gebracht wurde, erzeugten Feld ausgesetzt. Dieses Tröpfchen wird von einer Auffangrinne wiedergewonnen und zu dem Tintenkreislauf der Druckvorrichtung recycelt.
Wenn der Unterbrechungsabstand wegen des Anlegens eines Stimulierungssignals von erhöhtem Pegel an jeden Strahl kürzer ist, wird dieser an einem Punkt unterbrochen, der geringfügig vor der Ladungselektrode gelegen ist. Die Ladung Q2, die von dem Tröpfchen mitgeführt wird, ist dabei schwächer als im vorangehenden Fall. Die Ablenkung δ2, die durch die Ablenkungsebene induziert wird, ist demnach ebenfalls geringer. Das Tröpfchen umgeht dabei die Auffangrinne und erreicht den Druckträger.
In diesem Artikel ist der Unterschied zwischen zwei Strahlstimulierungspegeln derart, daß der Abstand d zwischen den Unterbrechungspunkten des Strahls für jeden dieser beiden Pegel gleich der Wellenlänge λ des stimulierten Strahls ist, d. h. gleich der Tröpfchenabfolge. Der Wert λ ergibt sich durch das Verhältnis der Geschwindigkeit V_j des Strahls zur Frequenz F des Stimulierungssignals: λ = V_j/F.
Die Funktionsweise und die Konzeption, die in diesem Artikel vorgeschlagen werden, leiden jedoch unter drei hauptsächlichen Handicaps, welche die Möglichkeiten der Anwendung dieses Verfahrens auf einen kontinuierlichen Tintenstrahldrucker einschränken.
Der erste Nachteil ergibt sich aus der Tatsache, daß der Abstand d zwischen den zwei Unterbrechungspunkten des Strahls gleich der Wellenlänge λ der Tröpfchenabfolge ist. Dies führt zu einer Schwierigkeit bei der Nutzung des Strahls während der Übergänge von einem langen Unterbrechungspunkt zu einem kurzen Unterbrechungspunkt. Dabei ist zu bemerken, daß wenn ein zu druckendes Tröpfchen einem zu recycelnden Tröpfchen folgt, die Bedingung d = λ theoretisch zum gleichzeitigen Loslösen der zwei Tröpfchen führt. Die Kinetik der Ladungsübertragungen unterscheidet sich dabei von derjenigen, die mit einem Übergang von kurzem Unterbrechungspunkt zu langem Unterbrechungspunkt verknüpft ist, was zu unterschiedlichen Strahlbahnen führen kann. Außerdem führt jede Fluktuation des einen oder anderen Unterbrechungsabstands unweigerlich bei einer realen Umsetzung des Verfahrens zu einer Modifikation der Strahlnutzungsbedingungen. Wenn beispielsweise d geringfügig größer wird als λ, kommt es zu einer vorübergehenden Anhäufung von zwei Tröpfchen während der Übergänge von einem langen Unterbrechungspunkt zu einem kurzen Unterbrechungspunkt. Es kommt zu einer Neuverteilung der induzierten Ladungen, die schwierig a priori festzulegen ist, und die Bahn bzw. die Wegstrecke des zu druckenden Tröpfchens wird verändert.
Der zweite Nachteil nach dem im Artikel von Donald J. DRAKE beschriebenen Verfahrens ergibt sich aus den vorgeschlagenen Elektrodenanordnungen, die einen geringen Abstand zwischen der Oberfläche des Strahls und der Ladungselektrode (in der Größenordnung des Durchmessers des Strahls) auferlegen, um eine ausreichende Auswahl der Drucktröpfchen zu erhalten. Die Realisierung und die Nutzung einer solchen Geometrie bei einer Mehrfachdüsen-Druckvorrichtung mit kontinuierlichem Strahl werfen mehrere Schwierigkeiten auf.
Zn erster Linie führt das Starten einer solchen Druckvorrichtung für die Tintenstrahle, die aus den Düsen austreten, zu einer Übergangsphase, während der die aerodynamische Abbremsung vorherrscht. Insbesondere bildet sich am Ende jedes Strahls ein Tintenvolumen, dessen Größe größer ist als die der während des Dauerbetriebs gebildeten Tröpfchen, und die Wegstrecke bzw. Bahn des Strahls wird dabei momentan verändert.
Eine Folge des Startens der Strahlen besteht dabei in einer Verschmutzung der Ladeelektrode, die in unmittelbarer Nachbarschaft zur Achse des Strahls platziert ist. Dieser Effekt wird durch die Winkelstreuung jedes der Strahlen unvermeidlich, die wiederum auf Präzisions- und Wiederholbarkeitsniveaus beruht, die bei der Herstellung der Düsen erreicht werden. Sie stört die Funktionsweise der Druckvorrichtung stark und schränkt ihre Zuverlässigkeit ein. Die Reinigung der Ladeelektrode ist dabei obligatorisch.
Außerdem kann beim Dauerbetrieb jede Fluktuation der Strahlbahn um ihre Achse (beispielsweise wegen des vorübergehenden Vorhandenseins einer Verunreinigung in der Ausstoßbahn eines Strahls) ebenfalls den Strahl leicht ablenken und zur Verschmutzung der Ladeelektrode führen, die in unmittelbarer Nähe der Strahlen angeordnet ist, was allgemein Kurzschlüsse zwischen dem Strahl und der Elektrode hervorruft.
Schließlich stellt die Geometrie der Ladeelektrode, die in dem vorgenannten Artikel beschrieben ist, und die das Anlegen von elektrischen Lademengen sowohl auf die Drucktröpfchen als auch auf die nicht-gedruckten Tröpfchen induziert, ein drittes Handikap dar. Diese Lademengen und folglich die Ablenkungsniveaus der Tröpfchen variieren nämlich auf strikt monotone Weise mit den Positionen der Unterbrechungspumpe in dem durch die Ladeelektrode erzeugten elektrischen Feld. Dies bedeutet, daß die Druckqualität einer Mehrfachdüsen-Druckvorrichtung mit einer solchen Ladeelektrode direkt von der Präzision abhängt, mit der der kurze Unterbrechungspunkt für die Gesamtheit der Strahlen der Druckvorrichtung positioniert und geregelt ist. Jedem von diesem unterschiedlichen Unterbrechungspunkt entspricht ein unterschiedlicher Auftreffpunkt auf dem Druckträger. Das Management und die Meisterung eines solchen Zwanges ist vom technischen Standpunkt her äußerst schwierig und erhöht die Kosten einer Druckvorrichtung, die auf diese Weise funktioniert, erheblich.
In dem Dokument US-A-4 638 328 ist vorgeschlagen worden, die piezoelektrischen Stimulierungselemente durch thermoresistive Elemente zu ersetzen, welche Störungen thermischer Natur erzeugen.
Übrigens beschreibt das Dokument US-A-4 220 958 ein Stimulierungsverfahren eines Tintenstrahls, bei dem die Störung des Strahls durch elektro-hydrodynamische Erregung (EHD) bewerkstelligt wird. Die EHD-Stimulierungsvorrichtung, die in diesem Dokument vorgeschlagen wird, ist aus einer oder mehreren Elektroden zusammengesetzt, die in Nähe des Strahls stromauf der Düse platziert sind, wobei die Länge jeder Elektrode etwa gleich λ/2 ist.
Abriss der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist hauptsächlich ein Verfahren zum Ausstoßen einer elektrisch leitenden Flüssigkeit, welche die Technik des kontinuierlichen digitalen Strahls einsetzt, die in dem vorher zitierten Artikel von Donald J. DRAKE beschrieben ist, ohne die mit dieser Technik verbundenen Nachteile aufzuweisen.
Im einzelnen bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Ausstoßen von Flüssigkeit durch einen kontinuierlichen Strahl, bei dem der Ladeprozeß der aus den Strahlen hervorgehenden Tröpfchen gesteuert ist, unabhängig von der Sequenz der emittierten Tröpfchen, bei dem die Bahn der druckbaren Tröpfchen nicht eine strikt monotone Funktion der Position des Unterbrechungspunkts bei der Ladevorrichtung ist.
Gemäß einer allgemeiner gefassten Definition der Erfindung wird dieses Ergebnis mittels eines Verfahrens zum Ausstoßen einer elektrisch leitenden Flüssigkeit erzielt, wobei:

– mindestens ein kontinuierlicher Flüssigkeitsstrahl mit einer gegebenen Geschwindigkeit V_j emittiert wird,
– der Strahl so stimuliert wird, daß er je nach Bedarf an zwei vorbestimmten, unterschiedlichen Unterbrechungspunkten fragmentiert wird, um Flüssigkeitstropfen mit einer gegebenen Ausstoßfrequenz F zu bilden,
– an die Tropfen unterschiedliche Mengen elektrischer Ladung entsprechend ihren Unterbrechungspunkten angelegt werden, und dann
– ein gleiches elektrisches Feld an die Tropfen so angelegt wird, daß nur die an einem ersten der Unterbrechungspunkte, der relativ entfernt ist, gebildeten Tropfen abgelenkt werden,

_j

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden an die Tropfen die unterschiedlichen Mengen elektrischer Ladung angelegt, indem zwei aneinandergrenzende Zonen geschaffen werden, die jeweils in Nachbarschaft der Unterbrechungspunkte liegen, und indem diese zwei Zonen auf konstante elektrische Potentiale mit entgegengesetzten Vorzeichen gebracht werden.
Zu diesem Zweck kann der Strahl sukzessive zwischen zwei Elektrodenpaaren durchgeleitet werden, die parallel zum Strahl ausgerichtet und so dimensioniert sind, daß sich die beiden Unterbrechungspunkte zwischen den Elektroden befinden, und wobei an die beiden Elektrodenpaare konstante elektrische Spannungen mit entgegengesetzten Vorzeichen angelegt werden.
In diesem Fall wird, um die Nachteile zu vermeiden, die mit der unmittelbaren Nähe der Oberfläche des Strahls zur Ladeebene verknüpft sind, vorteilhafterweise jede Elektrode in einem Abstand von der Achse des Strahls angeordnet, der mindestens gleich dessen doppeltem Durchmesser ist.
Vorzugsweise werden gleichzeitig mehrere kontinuierliche Flüssigkeitsstrahlen emittiert, die zueinander parallel sind, jeder Strahl wird separat stimuliert, an die Tropfen aller Strahlen werden gleichzeitig die genannten unterschiedlichen Mengen elektrischer Ladung angelegt, und dann wird gleichzeitig ein gleiches elektrisches Feld an die Strahlen angelegt.
Aufgabe der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zum Drucken durch kontinuierliche Tintenstrahlen, umfassend:

– einen druckbeaufschlagten Behälter, der mit mehreren Düsen versehen ist, welche gleichzeitig mit einer gegebenen Geschwindigkeit V_j mehrere kontinuierliche, zueinander parallele Tintenstrahlen ausstoßen können,
– ein jeweiliges Mittel zur digitalen Stimulierung jedes der Strahlen, das geeignet ist, diese je nach Bedarf an zwei vorbestimmten, unterschiedlichen Unterbrechungspunkten zu fragmentieren, um Tintentropfen mit einer gegebenen Ausstoßfrequenz F zu bilden,
– ein Lademittel, das von den mehreren Tintenstrahlen gemeinsam genutzt wird, um an die Tintenstrahlen unterschiedliche Mengen elektrischer Ladung gemäß ihren Unterbrechungspunkten anzulegen,
– ein Ablenkmittel, das von den mehreren Tintenstrahlen gemeinsam genutzt wird, um ein gleiches elektrisches Feld an die Tropfen anzulegen, um so nur diejenigen Tropfen abzulenken, die an einem ersten, von den Düsen relativ entfernten Unterbrechungspunkt gebildet werden, und
– eine Auffangrinne zum Zurückführen der abgelenkten Tropfen zu dem druckbeaufschlagten Behälter,

16

14

_j

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung umfaßt das individuelle Mittel zur digitalen Stimulierung jedes der Strahlen ein piezoelektrisches Element oder ein thermoresistives Element, das in dem druckbeaufschlagten Behälter plaziert ist und einzeln durch eine externe elektronische Schaltung gesteuert wird.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung umfaßt das einzelne Mittel zur digitalen Stimulierung jedes der Strahlen zwei Thermo-Widerstandselemente, die in dem druckbeaufschlagten Behälter angebracht sind, eine externe elektrische Schaltung, die permanent ein periodisches elektrisches Signal zum Speisen eines ersten der Thermo-Widerstandselemente, welches dem ersten Unterbrechungspunkt entspricht, liefert und je nach Bedarf ein komplementäres elektrisches Signal zum Speisen des zweiten Thermowiderstandselements, das dem zweiten Unterbrechungspunkt entspricht.
Schließlich weist gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung das individuelle Mittel zur digitalen Stimulierung jedes der Strahlen einen jeweiligen Wandler auf, der in dem druckbeaufschlagten Behälter angeordnet ist, und mindestens eine gemeinsame, in Nähe der Strahlen stromab der Düse angeordnete Elektrode zur elektro-hydrodynamischen Erregung, wobei eine externe elektrische Schaltung permanent ein periodisches elektrisches Signal, welches dem ersten Unterbrechungspunkt entspricht, zum Speisen der Elektrode zur elektro-hydrodynamischen Erregung liefert, und je nach Bedarf ein komplementäres elektrisches Signal, welches dem zweiten Unterbrechungspunkt entspricht, zum Speisen des individuellen Wandlers liefert.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Im folgenden werden anhand von nicht einschränkenden Beispielen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, indem auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht, die schematisch eine Druckvorrichtung durch kontinuierlichen Tintenstrahl gemäß der Erfindung darstellt,
2A und 2B Seitenansichten, welche grob schematisch die Lade- und Ablenkungsprozesse in der Vorrichtung der 1 jeweils für die zum Recycling bestimmten Tröpfchen und für die zum Druck dienenden Tröpfchen darstellt,
3 eine Schnittansicht, die den 2A und 2B vergleichbar ist und eine zweite Ausführungsform der Erfindung darstellt, bei der jedes individuelle Mittel zur digitalen Stimulierung zwei Thermowiderstandselemente umfaßt, und
4 eine schematische Schnittansicht, die den 2A, 2B und 3 vergleichbar ist und eine dritte Ausführungsform der Erfindung darstellt, bei der jedes individuelle Mittel zur digitalen Stimulierung ein Thermowiderstandselement und eine gemeinsame EHD-Stimulierungsvorrichtung umfaßt.
Detaillierte Beschreibung mehrerer bevorzugter Ausführungsformen
Die 1 stellt schematisch eine Druckvorrichtung durch kontinuierlichen Tintenstrahl dar, welche das Verfahren zum Ausstoßen einer elektrisch leitenden Flüssigkeit gemäß der Erfindung einsetzt.
Die Vorrichtung umfaßt einen druckbeaufschlagten Behälter 10, der mit mehreren kalibrierten Düsen 12 (drei in der Figur) ausgestattet ist, aus dem mit einer gegebenen Geschwindigkeit V_j Tintenstrahlen 14 austreten, die parallel zueinander sind und untereinander einen konstanten Abstand aufweisen.
Jedem Tintenstrahl 14 ist ein individuelles Mittel 16 zur digitalen Stimulierung zugeordnet, das in dem Behälter 10 angeordnet ist und individuell durch eine externe elektronische Schaltung 18 gesteuert wird. Jedes jeweilige Mittel 16 zur digitalen Stimulierung legt je nach Bedarf den Ort der Unterbrechung jedes der Strahlen 14 an einem kurzen Unterbrechungspunkt C, der relativ nahe an der Düse 12 liegt, oder an einem langen Unterbrechungspunkt L, der von dieser Düse weiter entfernt ist, fest. Die an den Punkten C und L gebildeten Tröpfchen sind jeweils mit den Bezugsziffern 22 und 24 bezeichnet. Die Tröpfchen 22 und 24 werden alle mit ein und derselben gegebenen Ausstoßfrequenz F_j emittiert.
Ein Lademittel 20, das in näheren Einzelheiten später beschrieben wird, ist in der Nachbarschaft der Unterbrechungspunkte C und L plaziert. Dieses Lademittel 20 ist allen den Tintenstrahlen gemeinsam. Es legt unterschiedliche Lademengen an die Tröpfchen 22 und 24 je nach ihren Unterbrechungspunkten an.
Stromab des Lademittels 20 umfaßt die Druckvorrichtung einen Messfühler 26, der zum Messen der Tintensrahlen 14 ausgestaltet ist. Dieser Messfühler 26 ist mit einer elektronischen Schaltung 28 verbunden, welche die Verarbeitung der von dem Messfühler gesammelten Daten ausführt. Die Schaltung 28 ist mit einer Regelschleife (nicht dargestellt) der Geschwindigkeit der Strahlen 14 in einer dem Fachmann bekannten Anordnung verbunden. Zur Vereinfachung (der Darstellung) sind der Messfühler 26 und seine zugeordnete Schaltung in den 2A bis 4 nicht dargestellt.
Stromab vom Messfühler 26 umfaßt die Druckvorrichtung ein Ablenkmittel 30, welches ein konstantes, gleiches elektrisches Feld an die Tintentröpfchen 22 und 24 anlegt, die vorher in dem Lademittel 20 elektrisch aufgeladen wurden. Dieses Ablenkmittel 30 umfaßt zwei plane Elektroden 32 und 34, die allen Tintenstrahlen 14 gemeinsam sind. Diese Elektroden 32 und 34 sind auf beiden Seiten der Abfolgen von Tintentröpfchen 22 und 24 angeordnet, und eine konstante Spannung wird zwischen ihnen durch eine Speiseschaltung 36 angelegt. Das Ablenkmittel 30 leitet die geladenen Tröpfchen 24 zu einer Auffangrinne 38, welche sie zu einem allgemeinen Tintenkreislauf 40 der Vorrichtung zurückführt. Die Bahn der anderen Tröpfchen 22, die fast nicht geladen sind, wird von dem Ablenkmittel 30 nicht beeinflusst, so daß diese nicht-geladenen Tröpfchen auf einem Druckträger 42 auftreffen.
Das Lademittel 20 umfaßt zwei jeweiligs plane Elektrodengruppen 42, 44 bzw. 46, 48, wobei die Elektroden in jeder Gruppe auf beiden Seiten der Strahlen 14 plaziert sind. Die beiden Elektrodengruppen sind voneinander um einen Abstand D (2A) parallel zu den Achsen der Strahlen getrennt. Die Gesamtlänge der beiden Elektrodengruppen parallel zu den Strahlachsen wird mit S bezeichnet. Wie schematisch in 1 dargestellt ist, legen die Speiseschaltungen 50 und 52 eine gleiche konstante Spannung V1 an die beiden Elektroden 42 und 44 der ersten Elektrodengruppe an, und die Speiseschaltungen 54 und 56 legen eine gleiche konstante Spannung V2 mit entgegengesetztem Vorzeichen zu V1 an die beiden Elektroden 46 und 48 der zweiten Elektrodengruppe an. Auf diese Weise werden zwei zusammenhängende Zonen jeweils in der Nachbarschaft der Unterbrechungspunkte C und L geschaffen, die auf konstante elektrische Potentiale mit entgegengesetzten Vorzeichen gebracht werden.
Wie genauer in den 2A und 2B dargestellt ist, sind die Elektroden 42 und 44 der ersten Elektrodengruppe symmetrisch auf beiden Seiten der Strahlen 14 angeordnet, und jeweils in einem Abstand E von den Achsen der Strahlen plaziert. Vorzugsweise ist dieser Abstand E höher oder gleich dem zweifachen Durchmesser d_j der Strahlen 14. Diese Eigenschaft ermöglicht es, die Verschmutzung der Elektroden sowohl beim Starten der Tintenstrahlen als auch im Dauerbetrieb bei Vorhandensein einer Verunreinigung in der Ausstoßleitung zu vermeiden. Die Zuverlässigkeit der Druckvorrichtung wird dadurch verbessert.
Die Elektroden 46 und 48 der zweiten Elektrodengruppe sind ebenfalls symmetrisch auf beiden Seiten des Strahls 14 und mit dem gleichen Abstand E von ihren Achsen angeordnet.
Wenn die Druckvorrichtung in Betrieb ist, erfolgt die Auswahl eines Tröpfchens 24, das nicht zum Drucken auf den Träger 42 bestimmt ist, indem das individuelle Mittel 16 zur digitalen Stimulierung des Strahls 14, das einem elektrischen Signal entspricht, dessen Pegel V_l bestimmt wird, um die Unterbrechung des Strahls an dem vorbestimmten langen Unterbrechungspunkt L in dem Lademittel 20 zu induzieren, gesteuert wird.
Die Auswahl eines Tröpfchens 22, das zum Bedrucken des Trägers 42 bestimmt ist, erfolgt durch Steuerung des individuellen Mittels 16 zur digitalen Stimulation des entsprechenden Strahls durch ein elektrisches Signal, dessen Pegel V_c die Unterbrechung des Strahls an dem vorbestimmten kurzen Unterbrechungspunkt C, ebenfalls im Innern des Lademittels 20, induziert.
Gemäß der Erfindung ist der Abstand ΔD zwischen den Unterbrechungspunkten C und L strikt kleiner als die Wellenlänge λ der stimulierten Strahlen. Der Wert der Wellenlänge λ wird durch die Beziehung λ = V_j/F geliefert. Jegliches Risiko der Erzeugung einer vorübergehenden Anhäufung von zwei Tröpfchen während der Übergänge vom langen Unterbrechungspunkt zum kurzen Unterbrechungspunkt wird so vermieden. Infolgedessen werden eventuelle Veränderungen der Bahn des zu druckenden Tröpfchens vermieden.
Eine beliebige Abfolge von Tröpfchen 24, die nicht zum Drucken bestimmt sind, oder von Tröpfchen 22, die zum Drucken bestimmt sind, wird geschaffen, indem an dem individuellen Mittel 16 zur Stimulierung jedes der Strahlen und mit der gewählten Frequenz F des Tröpfchenausstoßes ein Signal erzeugt wird, welches die entsprechende Sequenz mit dem Pegel V_c oder V_l vereinigt.
Indem das Lademittel 20 in einem Abstand H (2A) von den Düsen 12 angeordnet wird, für die die Unterbrechungspunkte C und L zwischen H und H + S gelegen sind (d. h. im Innern des Lademittels 20 der Tröpfchen angeordnet sind), werden die Werte H, S, D, E, V1 und V2 festgelegt, damit:

– die an den zurückzuführenden Tröpfchen 24, die sich vom Strahl am langen Unterbrechungspunkt L ablösen, induzierte Ladung derart ist, daß das konstante elektrische Feld, das durch das Ablenkmittel 30 erzeugt wird, die Bahn dieser Tröpfchen zur Auffangrinne 38 hin krümmt (2A);
– die an den zu druckenden Tröpfchen 22, die sich von dem Strahl am kurzen Unterbrechungspunkt C sowie in einer um diesen Punkt zentrierten Zone ablösen und eine annähernde Länge λ/4 aufweisen, induzierte Ladung derart ist, daß das von dem Ablenkmittel 30 erzeugte konstante elektrische Feld die Bahn dieser Tröpfchen nicht modifiziert, welche anschließend den Druckträger 42 erreichen können (2B).

Die Bahn der zu druckenden Tröpfchen 22 ist demnach keine strikt monotone Funktion der Position des Unterbrechungspunkts an der Ladevorrichtung. Vielmehr wird ein und derselbe Auftreffpunkt auf dem Druckträger trotz eventueller Fluktuationen des kurzen Unterbrechungspunkts C gewährleistet. Die Druckqualität wird somit ohne besondere technische Schwierigkeit und ohne Kostenerhöhung sichergestellt.
Als nicht einschränkendes Beispiel kann die Länge S des Lademittels 20 unter 2,5 mm betragen, die Spannung V1, die an die Elektroden 42 und 44 angelegt wird, 300 Volt, und die Spannung V2, die an die Elektroden 46 und 48 angelegt wird, –300 Volt. Jeder der Strahlen 14 hat beispielsweise einen Durchmesser von 35 μm, eine Geschwindigkeit von 24 m/s und eine Stimulationsfrequenz von 125 kHz.
Bei der ersten schematisch in den 1, 2A und 2B dargestellten Ausführungsform ist jedes der individuellen Mittel zur digitalen Stimulierung aus einem piezoelektrischen Element gebildet, das im Behälter 10 angebracht und individuell durch die externe elektronische Schaltung 18 gesteuert ist. Die Anzahl der piezoelektrischen Elemente ist gleich derjenigen der Düsen 12 des Druckkopfs.
In einer Variante kann jedes der piezoelektrischen Elemente der individuellen Mittel 16 zur digitalen Stimulation durch ein Thermowiderstandselement ersetzt werden, welches Störungen thermischer Natur erzeugt. Für nähere Einzelheiten hinsichtlich solcher Thermowiderstandselemente, ihrer Funktionsweise und ihrem Herstellungsmodus ist auf das Dokument US-A-4 638 328 Bezug zu nehmen.
Wenn jedes individuelle Mittel 16 zur digitalen Stimulation durch ein einzelnes, jeder Düse 12 des Druckkopfs zugeordnetes Thermowiderstandselement gebildet ist, wird dieses Element von einem elektrischen Signal gespeist, das aus einer Sequenz von Spannungen V_c und V_l zusammengesetzt ist, welche dem zu druckenden Motiv entspricht.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, die schematisch in 3 dargestellt ist, umfaßt jedes der individuellen Mittel 16 zur digitalen Stimulation zwei Thermowiderstandselemente 16a und 16b, die jeder Düse 12 des Druckkopfs zugeordnet sind.
Das erste Element 16a wird auf ununterbrochene Weise mit einem periodischen elektrischen Signal der Amplitude V_l gespeist. Wenn es das einzige ist, das versorgt wird, erfolgt die Unterbrechung des Strahls folglich an dem am weitesten entfernten Punkt L der Düse.
Das zweite Element 16b, das je nach Fall stromauf oder stromab von dem ersten gelegen ist, wird nur dann aktiviert, wenn ein Tröpfchen 22 gedruckt werden soll. Es empfängt dabei ein elektrisches Signal, vorzugsweise eine Spannungsspitze, deren Amplitude und Phasenverschiebung hinsichtlich des an das erste Element 16a angelegten periodischen Signals dazu führen, den Unterbrechungspunkt des Strahls an den der Düse am nächsten gelegenen Punkt C zu verschieben.
Eine dritte Ausführungsform der individuellen Mittel zur digitalen Stimulation jedes der Strahlen 14 ist schematisch in 4 dargestellt.
In diesem Fall umfaßt jedes individuelle Mittel 16 zur digitalen Stimulation eine Elektrode 58, die unmittelbar stromab der Düsen 12 plaziert ist und der Gesamtheit der Strahlen gemeinsam ist. Diese Elektrode 58 bildet eine Stimulierungsvorrichtung durch elektrodynamische Erregung (EHD). Eine solche Vorrichtung sowie ihre Funktionsweise sind im Dokument US-A-4 220 958 beschrieben. Die Elektrode 58, deren Länge in etwa gleich λ/2 ist, legt den am weitesten von den Düsen entfernten Unterbrechungspunkt L der Strahlen fest, wenn keine andere Stimulierung an die Strahlen angelegt wird.
Jedes individuelle Mittel 16 zur digitalen Stimulierung umfaßt außerdem einen einzelnen Wandler 60, vorzugsweise vom Thermowiderstandstyp, der jedem der Strahlen im Innern des Behälters 10 zugeordnet ist. Die Wandler 60 werden nur aktiviert, um die Unterbrechungspunkt zu dem der Düse nächstgelegenen Punkt C zu verschieben, wenn ein Tropfen 22 gedruckt werden soll. Gegenüber den vorher beschriebenen Ausführungsformen ermöglicht es die Ausführungsform der 4, die Lebensdauer der thermo-resistiven Wandler zu verlängern, indem ihre Beanspruchung verringert wird.
Es ist anzumerken, daß das von der beschriebenen Druckvorrichtung eingesetzte Verfahren auf die selektive Projizierung jeder elektrisch leitenden Flüssigkeit angewandt werden kann.
Gegenüber dem Flüssigkeitsprojektionsverfahren durch kontinuierlichen Strahl gemäß dem Stand der Technik ermöglicht dieses Verfahren, den Ladeprozeß der aus den Strahlen hervorgehenden Tröpfchen zu steuern, unabhängig von der Sequenz der abgegebenen bzw. ausgestoßenen Tröpfchen. Außerdem befinden sich die Elektroden der Ladevorrichtung der Tröpfchen nicht in unmittelbarer Nähe der Strahlen. Darüber hinaus ist die Wegstrecke bzw. Bahn der zu druckenden Tröpfchen keine strikt monotone Funktion der Position des Unterbrechungspunkts an der Ladevorrichtung.
Wie bereits bemerkt wurde, ist ein gemäß der Erfindung hergestellter Mehrfachdüsen-Tintenstrahldrucker bei allen Anwendungen verwendbar, die sich auf die industrielle Markierung und Codierung beziehen. Das Gebiet der Adressierung, das eine erhöhte Geschwindigkeit und Druckbreite erfordert, stellt ebenfalls ein Anwendungsgebiet der Erfindung dar. Außerdem ermöglicht die Abwesenheit von individuellen Elektroden gegenüber dem Strahl die Erhöhung der Anzahl von Düsen pro Längeneinheit an dem Behälter der Druckvorrichtung. Dies ermöglicht die Anwendung der Erfindung auf die industrielle Dekoration, welche außer einer hohen Druckgeschwindigkeit eine erhöhte Auflösung erfordert.

Claims

Verfahren zum Ausstoßen einer elektrisch leitenden Flüssigkeit, wobei: – mindestens ein kontinuierlicher Flüssigkeitsstrahl (14) mit einer gegebenen Geschwindigkeit V_j emittiert wird, – der Strahl so stimuliert wird, dass er je nach Bedarf an zwei vorbestimmten, unterschiedlichen Unterbrechungspunkten (C, L) fragmentiert wird, um Flüssigkeitstropfen (22, 24) mit einer gegebenen Ausstoßfrequenz F zu bilden, – an die Tropfen (22, 24) unterschiedliche Mengen elektrischer Ladung gemäß ihren Unterbrechungspunkten (C, L) angelegt werden, und dann – ein gleiches elektrisches Feld an die Tropfen so angelegt wird, dass nur die an einem ersten (L) der Unterbrechungspunkte, der relativ entfernt ist, gebildeten Tropfen (24) abgelenkt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl (14) so stimuliert wird, dass die beiden Unterbrechungspunkte (C, L) um einen Abstand ΔD, der kleiner ist als die Wellenlänge λ des Strahls, die durch die Beziehung λ = V_j/F definiert ist, getrennt sind, und dass in etwa eine gleiche Menge Ladung an alle Tropfen (22) angelegt wird, die in einer um den zweiten Unterbrechungspunkt (C) zentrierten Zone mit einer Länge von im wesentlichen gleich λ/4 gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei an die Tropfen (22, 24) die unterschiedlichen Mengen elektrischer Ladung angelegt werden, indem zwei aneinandergrenzende Zonen geschaffen werden, die jeweils in Nachbarschaft der Unterbrechungspunkte (C, L) liegen, und indem diese beiden Zonen auf konstante elektrische Potentiale von entgegengesetzten Vorzeichen gebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Strahl sukzessiv zwischen zwei Elektrodenpaaren (42, 44; 46, 48) durchgeleitet wird, die parallel zum Strahl (14) ausgerichtet und so dimensioniert sind, dass sich die beiden Unterbrechungspunkte (C, L) zwischen den Elektroden befinden, und wobei an die beiden Elektrodenpaare konstante elektrische Spannungen (V1, V2) mit entgegengesetzten Vorzeichen angelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei jede Elektrode (42, 44; 46, 48) in einem Abstand (E) von der Achse des Strahls (14) angeordnet ist, der mindestens gleich dessen doppeltem Durchmesser ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei gleichzeitig mehrere kontinuierliche Flüssigkeitsstrahlen (14) emittiert werden, die zueinander parallel sind, jeder Strahl separat stimuliert wird, gleichzeitig an die Tropfen (22, 24) aller Strahlen die genannten unterschiedlichen Mengen elektrischer Ladung angelegt werden, und dann gleichzeitig ein gleiches elektrisches Feld an die Strahlen angelegt wird.
Vorrichtung zum Drucken durch kontinuierliche Tintenstrahlen, umfassend: – einen druckbeaufschlagten Behälter (10), der mit mehreren Düsen (12) versehen ist, welche gleichzeitig mit einer gegebenen Geschwindigkeit V_j mehrere kontinuierliche, zueinander parallele Tintenstrahlen (14) ausstoßen können, – ein jeweiliges Mittel (16) zur digitalen Stimulierung jedes der Strahlen, das geeignet ist, diese je nach Bedarf an zwei vorbestimmten, unterschiedlichen Unterbrechungspunkten (C, L) zu fragmentieren, um Tintentropfen (22, 24) mit einer gegebenen Ausstoßfrequenz F zu bilden, – ein Lademittel (20), das von den mehreren Tintenstrahlen (14) gemeinsam genutzt wird, um an die Tintenstrahlen (22, 24) unterschiedliche Mengen elektrischer Ladung gemäß ihren Unterbrechungspunkten anzulegen, – ein Ablenkmittel (30), das von den mehreren Tintenstrahlen (14) gemeinsam genutzt wird, um ein gleiches elektrisches Feld an die Tropfen anzulegen, um so nur diejenigen Tropfen (24) abzulenken, die an einem ersten, von den Düsen relativ entfernten Unterbrechungspunkt (L) gebildet werden, und – eine Auffangrinne (38) zum Zurückführen der abgelenkten Tropfen (24) zu dem druckbeaufschlagten Behälter (10), dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Mittel (16) zur digitalen Stimulierung jedes der Strahlen (14) mit vordefinierten Spannungspegeln (V_c, V_l) so gesteuert ist, dass die beiden Unterbrechungspunkte (C, L) um einen Abstand (ΔD) getrennt sind, der kleiner ist als die Wellenlänge λ des Strahls, der durch die Beziehung λ = V_j/F definiert ist, wobei das Lademittel (20) geeignet ist, in etwa eine gleiche Lademenge an alle Tropfen (22) anzulegen, die in einer um den zweiten Unterbrechungspunkt (C) zentrierten Zone mit einer Länge im wesentlichen gleich λ/4 gebildet werden.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Lademittel (20) zwei Elektrodenpaare (42, 44; 46, 48), die parallel zu den Strahlen ausgerichtet und so dimensioniert sind, dass sich die Unterbrechungspunkte (C, L) zwischen den Elektroden befinden, sowie Mittel (50, 52; 54, 56) zum Anlegen konstanter elektrischer Spannungen mit entgegengesetzten Vorzeichen an die zwei Elektrodenpaare umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Elektroden (42, 44; 46, 48) flach und in einem Abstand (E) von der Achse jedes der Strahlen (14) angeordnet sind, der mindestens das Doppelte des Durchmessers der Strahlen beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das jeweilige Mittel zur digitalen Stimulierung jedes der Strahlen (14) ein piezoelektrisches oder Thermowiderstandselement (16) umfasst, das in dem druckbeaufschlagten Behälter (10) angeordnet ist und individuell durch eine externe elektronische Schaltung (18) gesteuert wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das jeweilige Mittel (16) zur digitalen Stimulierung jedes der Strahlen (14) zwei Thermowiderstandselemente (16a, 16b), die in dem druckbeaufschlagten Behälter (10) angebracht sind, sowie eine externe elektrische Schaltung (18) umfasst, die permanent ein periodisches elektrisches Signal zum Speisen eines ersten der Thermowiderstandselemente, das dem ersten Unterbrechungspunkt (L) entspricht, und je nach Bedarf ein komplementäres elektrisches Signal zum Speisen des zweiten Thermowiderstandselements (16b), das dem zweiten Unterbrechungspunkt (C) entspricht, liefert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das jeweilige Mittel (16) zur digitalen Stimulierung jedes der Strahlen (14) einen jeweiligen Wandler (60), der in dem druckbeaufschlagten Behälter (10) angeordnet ist, und mindestens eine gemeinsame, in Nähe der Strahlen stromab der Düse (12) angeordnete Elektrode (58) zur elektro-hydrodynamischen Erregung umfasst, wobei eine externe elektrische Schaltung (18) permanent ein periodisches elektrisches Signal, welches dem ersten Unterbrechungspunkt (L) entspricht, zum Speisen der Elektrode (58) zur elektro-hydrodynamischen Erregung und je nach Bedarf ein komplementäres elektrisches Signal, welches dem zweiten Unterbrechungspunkt (C) entspricht, zum Speisen des individuellen Wandlers (60), liefert.