EP1902843B1

EP1902843B1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Tintentropfen mit variablen Tropfenvolumen

Info

Publication number: EP1902843B1
Application number: EP07010746A
Authority: EP
Inventors: Peter Schmitt
Original assignee: KBA Metronic GmbH
Current assignee: KBA Metronic GmbH
Priority date: 2006-09-21
Filing date: 2007-05-31
Publication date: 2009-04-22
Anticipated expiration: 2027-05-31
Also published as: EP1902843A1; US7837307B2; HK1123775A1; ATE429335T1; DE502007000635D1; DE102006045060A1; US20080074477A1; JP2008074105A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Tintentropfen mit variablem Tropfenvolumen, insbesondere bei einem kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldrucker. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Druckvorrichtung mit einer solchen Vorrichtung.
Kontinuierlich arbeitende Tintenstrahldrucker werden seit vielen Jahren industriell zur Kennzeichnung von unterschiedlichsten Produkten eingesetzt. Das Arbeitsprinzip dieser Tintenstrahldrucker funktioniert so, dass eine zu verdruckende Tinte aus einem Vorratsbehälter über Pumpen mit Überdruck in eine im eigentlichen Druckkopf sich befindende Druckkammer gefördert wird, welche insbesondere an der dem zu bedruckenden Gut zugewandten Seite eine Düse aufweist.
Die Düse kann hierbei einen Öffnungsdurchmesser im Bereich von 30µ bis 200µm haben. Aus der Düse tritt nun der Tintenstrahl zunächst als kontinuierlicher Tintenstrahl aus, was jedoch für eine Beschriftung unzweckmäßig ist, da die hierbei erzeugten Schriftzeichen bei dieser Art der Beschriftung aus einzelnen Punkten beziehungsweise einzelnen Tintentropfen aufgebaut sein sollen. Um den Tintenstrahl in einzelne gleichartige, insbesondere gleich große Tintentropfen zu zerlegen, ist an der Druckkammer ein Modulationselement angebracht, welches Druckschwankungen in dem aus dem Druckkopf austretenden Tintenstrahl erzeugt, so dass dieser Tintenstrahl nach dem Austritt aus der Düse, insbesondere nach kurzer Zeit und in einem definierten Abstand, in einzelne insbesondere gleichgroße Tintentropfen aufbricht.
Die Größe der Tintentropfen hängt dabei unter anderem von der angelegten Modulationsfrequenz, dem Düsendurchmesser und dem von der Pumpe erzeugten Druck ab, und lässt sich innerhalb der aus der Kombination der genannten Parameter vorgegebener Grenzen für das System einstellen. Eine Variation der Tropfengröße einander nachfolgender Tintentropfen ist dabei nicht möglich.
Kurz vor dem Abreißen der Tintentropfen vom ausgetretenen Tintenstrahl werden die Tintentropfen jeweils mit einer individuellen elektrischen Ladung versehen, wobei die Höhe der Ladung von der gewünschten Auftreffposition auf dem zu beschriftenden Produkt abhängt. Um das elektrische Aufladen zu gewährleisten, weist die Tinte eine geringe elektrische Leitfähigkeit auf. Während des Ladevorganges ist der Tintentropfen noch nicht von dem aus der Düse des Tintenstrahldruckers ausgetretenen Tintenstrahl abgerissen, so dass aufgrund von elektrischer Influenz freie Ladungsträger in der Tinte je nach Polarität und Stärke einer äußeren Ladespannung zur Ladeelektrode hinbewegt werden oder von ihr wegbewegt werden, wobei die Tintenkammer und damit das Tintenreservoir beispielsweise elektrisch auf Massepotential gehalten wird. Die Ladeelektrode hat dabei keinen mechanischen Kontakt zum Tintenstrahl.
Reißt der Tintentropfen nun von dem Tintenstrahl ab, während er sich im Feldbereich der Ladeelektrode befindet, so verbleiben die durch die Influenz in den Tropfen gewanderten elektrischen Ladungen in dem Tropfenvolumen und dieses erscheint auch nach dem Abriss nach außen hin elektrisch geladen. Wird beispielsweise die Ladeelektrode positiv aufgeladen, so wandern beim Eintritt des Tintenstrahls in das elektrische Feld der Ladeelektrode die negativen freien Ladungsträger in der Tinte in das Feld hinein, wohingegen die positiv geladenen freien Ladungsträger in der Tinte aus dem elektrischen Feld herausgedrängt werden. Dadurch findet eine Ladungstrennung unmittelbar vor dem Abriss des Tropfens an der Vorderkante des Tintenstrahls statt und das so erzeugte Ladungsungleichgewicht in dem abreißenden Tropfen bleibt erhalten und der Tropfen verlässt in diesem Beispiel negativ geladen den Feldbereich der Ladeelektrode. Da der Tintentropfen konstruktionsbedingt und prinzipbedingt während der Einflusszeit der Ladespannung auf den Tropfen abreißt, bleibt wie beschrieben auf dem abgelösten Tintentropfen eine Ladungsmenge zurück, deren Größe bei einer konstanten elektrischen Leitfähigkeit der Tinte entsprechend der Höhe der angelegten Ladespannung ist, so dass bei einer Veränderung der Ladespannung somit auch die Ladungsmenge auf jedem Tropfen verändert werden kann.
Auf ihrem zunächst geradlinigen Flug treten die elektrisch geladenen Tintentropfen nachfolgend in das elektrostatische Feld einer Ablenkvorrichtung, z.B. eines Plattenkondensators ein und werden je nach ihrer individuellen Ladung mehr oder weniger aus ihrer geradlinigen Flugbahn abgelenkt, und fliegen nach dem Verlassen des elektrostatischen Feldes unter einem von ihrer Ladung abhängigen bestimmten Winkel zu ihrer ursprünglichen Flugbahn weiter.
Mit diesem Prinzip können unterschiedliche Auftreffpositionen auf einer zu beschriftenden Oberfläche mit einzelnen Tintentropfen angewählt werden, wobei dies in dieser Ausführung nur in einer Ablenkrichtung erfolgt. Zum Ausblenden einzelner Tropfen aus dem Schriftbild oder wenn nicht gedruckt werden soll erhalten die Tintentropfen eine bestimmte feste Ladung oder bleiben ungeladen, so dass sie nach dem Austritt aus dem elektrostatischen Feld des Plattenkondensators in ein Auffangrohr treffen, von wo sie über ein Pumpensystem in den Tintentank zurückgepumpt werden. Dadurch zirkuliert die nicht verdruckte Tinte im Kreis, was zu der Bezeichnung kontinuierlich arbeitender Tintenstrahldrucker geführt hat.
Nachteilig an der geschilderten Ausführung ist, dass aufgrund der systembedingten Erzeugung der Tintentropfen diese stets innerhalb enger Toleranzen eine gleiche Größe aufweisen, so dass ein mit diesen Tropfen erzeugtes Schriftbild stets gleich große Druckpunktgrößen aufweist.
Im Gegensatz hierzu ist es aus der Drucktechnik bekannt, zur Herstellung von Graustufungen und Farbverläufen in gedruckten Bildern Druckpunkte unterschiedlicher Größe zu verwenden, um so dem Auge des Betrachters einen visuellen Eindruck von Graustufen oder Farbverläufen zu ermöglichen. So können beispielsweise bei allen Druckverfahren, welche eine Druckform benutzen, die einzelnen Druckpunkte bei der Herstellung der Druckform entsprechend der Vorlage unterschiedlich groß ausgeführt werden, was im Druck zu unterschiedlich großen Druckpunkten führt.
Ebenso ist bekannt, bei Tintenstrahldruckern des Drop-On-Demand Typs (DOD) unterschiedlich große Druckpunkte zu realisieren, indem beim Drucken eine unterschiedliche Anzahl von kleinen Tropfen gleicher Größe auf der Oberfläche des zu bedruckende Gutes zu einem gemeinsamen größeren Druckpunkt überlagert wird.
Nachteilig bei den bekannten Verfahren ist, dass sie zum einen keine Variabilität der Druckdaten innerhalb des Druckprozesses ermöglichen, da sie Druckformgebunden arbeiten, oder im Falle der DOD Verfahren systembedingt nur einen, insbesondere im Kennzeichnungsbereich nachteiligen geringen Arbeitsabstand der Druckköpfe zu der zu bedruckenden Oberfläche aufweisen. Da DOD Drucker stets eine Vielzahl von Düsen in einem Druckkopf aufweisen, können darüber hinaus in diesen Druckköpfen nur Tinten verwendet werden, welche entweder keine oder sehr langsame Trocknungseigenschaften aufweisen oder strahlungshärtende Tinten sind, da andernfalls die Tinte in einzelnen Düsen, die während eines bestimmten Druckbildes nicht oder nur selten verwendet werden, eintrocknen, wodurch diese Düse ausfallen.
Der Einsatz von strahlungshärtenden Tinten behebt zwar dieses Problem, erfordert jedoch durch den zusätzlichen Einsatz von nachgeschalteten Härtungseinrichtungen einen erheblich höheren apparativen Aufwand und erheblich höhere Kosten. Durch den genannten geringen Arbeitsabstand ist es darüber hinaus nicht möglich, eine beispielsweise strukturierte Oberfläche mit hoher Schriftqualität zu kennzeichnen, da die Flugbahnen der ausgestoßenen Tintentropfen nach kurzer Distanz so instabil werden, dass eine gewünschte Auftreffposition nicht mehr zuverlässig getroffen wird und damit auch ein aus mehreren Tintentropfen zusammengesetzter Druckpunkt nicht mehr als geschlossener Druckpunkt mit definierter Form gedruckt werden kann.
Die Verwendung der oben genannten Tinten sind bei diesen Systemen zwingend erforderlich, da solche DOD Systeme mit einer Vielzahl von Einzeldüsen arbeiten, die je nach Bedarf angesteuert werden. Dabei ist es normal, dass eine einzelne Düse entsprechend des zu druckenden Schriftbildes über einen längeren Zeitraum nicht oder nur selten angesteuert wird, was bei Verwendung einer schnell trocknenden Tinte beispielsweise einer lösungsmittelhaltigen Tinte dazu führen würde, dass die Tinte in dieser Düse eintrocknet und die Düsenöffnung verstopft.
Wird diese Düse dann später benötigt, steht sie nicht mehr zur Verfügung und es ist eine Reinigung, häufig auch eine manuelle Reinigung des Druckkopfes erforderlich. Im Unterschied hierzu können die kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldrucker Tinten verdrucken, die eine extrem kurze Trocknungszeit aufweisen, da die in diesen Tinten verwendeten Lösungsmittel sehr schnell verdunsten.
Dadurch, dass in dieser Art der Tintenstrahldrucker die Tinte kontinuierlich aus der Düse austritt, kann die Düse nicht verstopfen und der Prozess nicht unterbrochen werden. Bisher war es jedoch nicht möglich mit kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldruckern dieser Art wahlweise Tintentropfen unterschiedlicher Größe auch innerhalb eines Schriftbildes zu erzeugen.
Die hier beschriebene Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, die bevorzugt mit dieser vorbeschriebenen Art von kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldruckern eingesetzt werden kann. Die Erfindung kann jedoch auch mit jeder anderen Art von Vorrichtung eingesetzt werden, die geeignet ist, in einer Flugbahn aufeinander folgende Tintentropfen von im Wesentlichen gleicher Größe und/oder elektrischer Ladung und insbesondere gleichen Abstand zueinander zu erzeugen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, durch die es möglich wird, insbesondere mittels eines kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldruckers, eine frei programmierbare Kennzeichnung auf beliebige Oberflächen aufzubringen, wobei die Kennzeichnung Druckpunkte von wahlweise unterschiedlicher Größe beinhalten kann, die bevorzugt jeweils von nur einem Tintentropfen mit wahlweise unterschiedlichem Tropfenvolumen erzeugt werden.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren, bei dem eine frei wählbare Anzahl von im Flug aufeinander folgenden Tintentropfen, die alle die gleiche Geschwindigkeit in einer Richtung haben, während des Fluges von einer Austrittsdüse eines Tropfen erzeugenden Tintendruckkopfes bis zum Auftreff-Ort auf einem Bedruckstoff miteinander vereinigt werden, wobei die Anzahl der Tropfen, welche zu einem gemeinsamen Tropfen vereinigt werden, eine Tropfengruppe bilden und die Tropfen der Tropfengruppe beim Durchfliegen einer Elektrodenanordnung mittels einer einstellbaren Spannung zwischen den Elektroden der Elektrodenanordnung jeweils unterschiedlich stark beschleunigt oder verzögert werden, so dass die in der Tropfengruppe voranfliegenden Tropfen verzögert und die nacheilenden Tropfen beschleunigt werden.
Gelöst wird die Aufgabe weiterhin durch eine Vorrichtung, die in einem kontinuierlich arbeitendem Tintenstrahldrucker zum Einsatz kommen kann, bei der eine frei wählbare Anzahl von im Flug aufeinander folgenden Tintentropfen, die alle die gleiche Geschwindigkeit in einer Richtung haben, während des Fluges von einer Austrittsdüse eines die Tropfen erzeugenden Tintendruckkopfes bis zum Auftreff-Ort auf einem Bedruckstoff miteinander vereinigbar sind, wobei eine Elektrodenanordnung vorgesehen ist, mittels der ein im Wesentlichen in Flugrichtung der Tropfen wirkendes in seiner Stärke änderbares elektrisches Feld erzeugbar ist, mittels dem die Tintentropfen individuell und/oder wahlweise beschleunigbar und/oder verzögerbar sind, derart, dass die vorausfliegenden Tropfen einer Tropfengruppe verzögert werden und die nacheilenden Tropfen einer Tropfengruppe beschleunigt werden.
Wesentlich für die Erfindung ist es somit, dass unterschiedlich große Tintentropfen nicht originär erzeugt werden, was komplizierte Vorrichtungen voraussetzt, sondern dass zunächst mit einer Vorrichtung, wie z.B. dem vorbeschriebenen kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldruckkopf oder jeder anderen Tintentropfenerzeugungsvorrichtung Tintentropfen von im Wesentlichen und bevorzugt innerhalb enger Toleranzen gleicher Größe erzeugt werden. Es kann somit für die Erzeugung dieser Tintentropfen, die in einer ursprünglichen Flugbahn aufeinander folgend und insbesondere mit äquidistanten Abstand fliegen, sofern nicht einzelne Tropfen unterdrückt bzw. ausgeblendet werden, auf bestehende und etablierte Techniken zurückgegriffen werden.
Kerngedanke der Erfindung ist es, wahlweise unterschiedlich große Tropfen bzw. Tropfen mit wahlweise unterschiedlichen Tropfenvolumen zu erhalten, indem eine wahlweise Anzahl von aufeinander folgenden Tintentropfen miteinander zu einem Tropfen vereinigt werden. Hat somit ein jeder der ursprünglichen einzelnen Tropfen ein Volumen von V, so hat der aus n Tropfen vereinigte gemeinsame Tropfen ein Volumen von n x V.
Die Vereinigung einzelner Tropfen zwischen dem Ort der Erzeugung, wie z.B. nach einer Druckkammer eines Tintendruckkopfes und dem Ort des Auftreffens auf einen Bedruckstoff kann irgendwo während der gesamten Flugzeit erfolgen, also z.B. bevor die einzelnen ursprünglichen Tropfen abgelenkt werden oder nachdem die ursprünglichen Tropfen abgelenkt wurden.
Gemäß der Erfindung wird die Größe eines Druckpunktes auf einer zu kennzeichnenden Oberfläche durch die Anzahl der zu einem gemeinsamen Tropfen vereinigten Tintentropfen bestimmt. Es ist auf diese Weise möglich, beispielsweise bei einer mehrzeiligen Kennzeichnung eines Produktes die jeweiligen Zeilen mit unterschiedlich großen Druckpunkten zu schreiben oder auch innerhalb einer Druckzeile einzelne Zeichen oder nur einzelne Druckpunkte mit einer anderen Druckpunktgröße zu schreiben, um so beispielsweise besondere Effekte, Hervorhebungen oder Verläufe insbesondere an gerundeten Kanten von Logos oder Sonderzeichen besser darzustellen.
Erfindungsgemäß werden somit durch einen beliebigen Tropfenerzeuger in einem ersten Schritt z.B. in bekannter Weise Tintentropfen gleicher Größe mit einer bestimmten Folge-Frequenz erzeugt, insbesondere indem wie eingangs beschrieben eine Tinte mittels einer Pumpe aus einem Tintentank in eine Druckkammer gepumpt wird, an deren einem Ende sich eine Düse befindet. Ein an der Druckkammer angebrachtes Modulationselement moduliert den Druck in der Druckkammer dergestalt, das der aus der Düse austretende Tintenstrahl, insbesondere nach einer definierten kurzen Entfernung, in einzelne Tintentropfen von im Wesentlichen gleicher Größe aufbricht.
Eine unmittelbar vor der Düse (in Flugrichtung nach der Düse) angebrachte Ladeeinrichtung beaufschlagt durch Influenz wie eingangs beschrieben jeden austretenden Tintentropfen mit einer elektrostatischen Ladung. Erfindungsgemäß können die austretenden Tintentropfen insbesondere Tintentropfen eines Tropfenzuges oder einer Tropfengruppe, aus welchen ein gemeinsamer, größerer Tintentropfen in einem nachfolgenden Schritt gebildet werden soll, mit einer konstanten, für alle Tropfen zumindest im Wesentlichen gleichen Ladung versehen werden.
Um eine gewünschte Anzahl von einzelnen ursprünglichen Tropfen zu vereinen, kann es gemäß der Erfindung vorgesehen sein, dass die Tintentropfen mittels eines im Wesentlichen in Flugrichtung der Tropfen wirkenden elektrischen Feldes, insbesondere in einer Elektrodenanordnung, individuell und/oder wahlweise beschleunigt oder verzögert werden. Wesentlich hierfür ist, dass alle zu vereinenden einzelnen Tintentropfen zunächst die gleiche Geschwindigkeit in einer Richtung haben. Hierbei kann es sich um die ursprüngliche Richtung oder auch um eine abgelenkte Richtung handeln. Dadurch, dass die zu vereinenden Tropfen ein elektrisches Feld durchlaufen, dessen Feldlinien zumindest im Wesentlichen parallel zur Flugrichtung verlaufen, können die Tropfen je nach Stärke und Richtung des elektrischen Feldes individuell beschleunigt oder auch abgebremst werden. Die Tropfen einer Tropfengruppe, die ein solches elektrisches Feld durchlaufen, können sich sodann vereinen, wenn auf verschiedene Tropfen der Tropfengruppe ein unterschiedliches elektrisches Feld wirkt.
Eine Vorrichtung, zur Erzeugung eines solchen elektrischen Feldes kann z.B. durch eine Elektrodenanordnung gebildet werden, insbesondere mit wenigstens zwei in Flugrichtung der Tropfen hintereinander angeordneten Elektroden. Diese können derart angeordnet sein, dass die Flächennormalen der Elektroden zumindest im Wesentlichen parallel zur Flugrichtung der Tintentropfen angeordnet sind.
Die Elektroden können als Plattenelektroden von im Wesentlichen beliebiger Form gebildet werden, die eine Ausnehmung aufweisen, durch die die Tropfen im Wesentlichen senkrecht zur Plattenoberfläche hindurch fliegen.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass die Tropfen einer Tropfengruppe beim Durchfliegen einer Elektrodenanordnung mittels einer einstellbaren Spannung zwischen den Elektroden der Elektrodenanordnung jeweils unterschiedlich stark beschleunigt oder verzögert werden, so dass die in der Tropfengruppe voran fliegenden Tropfen verzögert und die nacheilenden Tropfen beschleunigt werden. Somit holen die in der Tropfengruppe nacheilenden Tropfen die voran fliegenden Tropfen ein und die Tropfen können sich verbinden zu einem gemeinsamen Tropfen von größerem Volumen. Dies kann derart erfolgen, dass sich die Tropfen der Tropfengruppe erst nach dem Verlassen der Elektrodenanordnung im weiteren Flug zu einem gemeinsamen Tropfen vereinigen, insbesondere kurz nach der Elektrodenanordnung.
Die Anordnung einer Vorrichtung zur Vereinigung der Tintentropfen kann mit Bezug auf einen vorbeschriebenen Tintenstrahldrucker sowohl vor einer Ablenkvorrichtung für die Tintentropfen als auch danach erfolgen. Eine Anordnung vor einer Ablenkeinrichtung hat den Vorteil, dass die Elektrodenanordnung exakt senkrecht zur ursprünglichen Flugrichtung ausgerichtet werden kann.
Bei einer Anordnung nach einer Ablenkeinrichtung können die Tintentropfen oder Gruppen von Tintentropfen viele verschiedene Richtungen aufweisen. Eine Elektrodenanordnung aus zwei oder mehr parallelen Elektroden kann daher nur für eine ausgezeichnete Richtung exakt senkrecht zur Richtung angeordnet sein. Für die übrigen möglichen Richtung kann diese Ausrichtung nur im Wesentlichen korrekt sein.
Es kann jedoch gemäß der Erfindung vorgesehen sein, die Elektroden der Elektrodenanordnung an die wenigstens eine Ablenkeinrichtung der Tropfen derart anzupassen, dass für jede Richtung der Tintentropfen nach der wenigstens einen Ablenkrichtungen die Flächennormalen der Elektroden, insbesondere am Eintrittsort der Tropfen in die Elektrodenanordnung und die Richtung der Tintentropfen zueinander parallel sind. Hierfür können die Elektroden z.B. um einen Mittelpunkt gebogen ausgeführt sein.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung kann es vorgesehen sein, dass die Elektroden der Elektrodenanordnung einen Abstand zueinander aufweisen, der kleiner oder gleich dem mittleren Abstand der sie durchquerenden Tintentropfen ist. Hierdurch wird gewährleistet, dass immer nur ein Tintentropfen aus einer Tintentropfengruppe, die es zu vereinen gilt, zwischen den Elektroden angeordnet ist und somit das elektrische Feld auch nur auf diesen einen Tintentropfen wirkt. Jeder einzelne Tintentropfen kann somit eine anderen Feldstärke und Feldrichtung erfahren, wenn eine Änderung des Feldes zeitlich zwischen zwei aufeinander folgenden Tropfen erfolgt.
Bei einer Anordnung einer Vorrichtung zur Vereinigung von einer gewünschten Anzahl von Tintentropfen nach einer Ablenkeinrichtung für die ursprünglich erzeugten Tropfen können die ursprünglichen Tropfen entlang ihres Fluges nach der Erzeugung zunächst in eine Ablenkeinrichtung gelangen, welche so gestaltet sein kann, dass jedem Tintentropfen ein mit der Tropfenbewegung synchron mitlaufendes, individuelles elektrisches Querfeld variabler Stärke und Dauer zugeordnet werden kann, so dass die Tintentropfen jeweils unterschiedliche Ablenkwinkel erfahren können. Auf diese Weise lassen sich auch bereits genannte Tropfenzüge / Tropfengruppen, bestehend beispielsweise aus n Einzeltropfen, generieren, deren Einzeltropfen alle oder auch nur eine bestimmte Anzahl davon in die gleiche Raumrichtung abgelenkt werden. So kann eine Tropfengruppe mit einer gewünschten Anzahl von Tropfen aus der ursprünglichen Richtung in eine gewünschte Richtung abgelenkt werden.
Mittels einer nachgeschalteten Elektrodenanordnung, deren elektrisches Feld im Wesentlichen entlang der Flugrichtung ausgerichtet ist, werden nun synchron zu den sie durchfliegenden Tropfen, insbesondere der Tropfengruppe, die voraneilenden Tropfen mittels des elektrischen Feldes gebremst und die nacheilenden Tropfen mit einem elektrischen Feld umgekehrter Polarität beschleunigt, so dass sich alle Tropfen einer Tropfengruppe, insbesondere nach einer kurzen Distanz nach der Elektrodenanordnung im Flug vereinigen. Je nach Anzahl der in einem Tropfenzug beinhalteten Tropfen ergeben sich so Drucktropfen mit 1, 2, 3, ... Anfangstropfenvolumina.
Die Elektrodenanordnung zur Vereinigung von Tintentropfen kann auch vor einer Ablenkvorrichtung angeordnet werden. Dann erfolgt zunächst eine Vereinigung der Tropfen und dann eine Ablenkung der im Volumen vergrößerten Tropfen. Dies kann mit dergleichen Ablenkvorrichtung geschehen, wie sie zuvor beschrieben wurde. Das ablenkende elektrische Feld wirkt sodann jeweils auf den vereinigten Tropfen.
Den bisherigen Stand der Technik und Ausführungen der Erfindung zeigen die nachfolgenden Figuren. Es zeigen:

Figur 1:: Den schematischen Aufbau eines kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldruckers gemäß Stand der Technik;
Figur 2:: Eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführung eines kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldruckers zur Erzeugung variabler Tropfengrößen;
Figur 3:: Eine schematische perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführung der Elektrodenanordnung zur Geschwindigkeitsmodulation der abgelenkten Tropfen;
Figur 4a,: 4b: Eine schematische Darstellung des Spannungsverlaufes bezogen auf die in Figur 2 gezeigten erfindungsgemäßen Ausführung zur Modulation der Geschwindigkeit bei unmittelbar einander nachfolgenden Tropfenzügen;
Figur 5a,: 5b: Eine schematische Darstellung des Spannungsverlaufes bezogen auf die in Figur 2 gezeigten erfindungsgemäßen Ausführung zur Modulation der Geschwindigkeit bei Lücken zwischen den einander nachfolgenden Tropfenzügen;
Figur 6:: Eine Druckvorrichtung, bei der eine Elektrodenanordnung zur Vereinigung von Tropfen vor einer Ablenkeinrichtung angeordnet ist;
Figur 7:: Beispiel der Verläufe der Spannungen zwischen den zwei Elektroden einer Elektrodenanordnung gemäß Figur 6 zur Vereinigung der Tropfen.

Figur 1 zeigt zum Vergleich mit der Erfindung beispielhaft einen Druckkopf eines bekannten konventionellen kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldruckers. Die Tinte 1 wird zunächst aus einem Vorratsbehälter 2 mittels einer Pumpe 3 über Zuleitungen 4a in die Druckkammer 5 gepumpt, an deren einem Ende eine Düse 6 eingebracht ist. Über zusätzlich an der Druckkammer angebrachte Modulationseinrichtungen 7 wird der Druck in der Druckkammer 5 moduliert, so dass der aus der Düse 6 austretende Tintenstrahl 9 in kurzer Entfernung nach seinem Austritt in einzelne Tintentropfen 11 von im Wesentlichen gleicher Größe aufbricht. Kurz vor dem Aufbrechen werden die einzelnen Tintentropfen 11 über eine Ladeelektrode 8 mit einer individuellen elektrischen Ladung versehen.
Entlang ihrer Flugbahn 100 treten die Tintentropfen 11 nun in ein elektrisches Feld 21 ein, das mittels der Elektroden 20a und 20b des Plattenkondensators 20 gebildet ist. In Abhängigkeit der Ladungsmenge und der Polarität der Ladungen auf den Tintentropfen 11 sowie der Polarität und Stärke des elektrischen Feldes 21 im Feldraum des Plattenkondensators 20 werden die einzelnen Tintentropfen in unterschiedliche beispielhaft dargestellte Raumrichtungen 103, 104 abgelenkt.
Die gesamte Anzahl der möglichen Ablenkungswinkel hängt dabei lediglich von der Ansteuerung der Ladeelektrode ab und ist prinzipiell nicht beschränkt. Die einzelnen Platten 20a und 20b des Plattenkondensators 20 können dabei gegeneinander geneigt sein, wie in Figur 1 gezeigt. Es ist aber ohne Beschränkung der Allgemeinheit ebenso möglich parallel zueinander angeordnete Platten zu verwenden.
Die Polarität und Stärke des elektrischen Feldes 21 wird in dieser Ausführung zweckmäßigerweise im Wesentlichen konstant gehalten, da sich eine Änderung der Feldstärke auf eine Vielzahl von Tropfen, die sich zu diesem Zeitpunkt im Feldraum des Plattenkondensators befinden, gleichzeitig auswirkt und damit eine Beeinflussung eines einzelnen Tropfens unmöglich ist.
Nach dem Verlassen des Feldraumes 21 des Plattenkondensators 20 wirkt keine elektrostatische Kraft mehr auf die Tintentropfen 11 und diese behalten ihre neuen Flugbahnen 103, 104 bei. Es ergibt sich so eine fächerförmig angeordnete Schar von Flugbahnen, Tintentropfen 11, die beispielsweise nicht oder nur gering geladen wurden, da sie aus dem Schriftbild ausgesondert werden müssen, erfahren in dem elektrostatischen Feld 21 des Plattenkondensators 20 beispielsweise keine oder nur eine geringe Ablenkung und treffen in eine Öffnung 19 eines Fangrohres 18 zur Tintenrückführung. Die so aufgefangene Tinte wird über Zuleitungen 4b wieder in den Tintenbehälter 2 geleitet und so dem Tintenkreislauf wieder zugeführt.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Erzeugung und Ablenkung von Tintentropfen mit variabler Tropfengröße eines kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldruckers. Die Tropfenerzeugung selbst erfolgt hierbei in der oben geschilderten Weise gemäß Figur 1.
Die Erzeugung kann jedoch auch auf jede andere Art erfolgen, erfindungswesentlich ist die Art der Tropfenvereinigung während des Fluges. Die Tinte 1 wird ebenfalls zunächst aus einem Vorratsbehälter 2 mittels einer Pumpe 3 über Zuleitungen 4a in die Druckkammer 5 gepumpt, an deren einem Ende eine Düse 6 eingebracht ist. Über ebenso zusätzlich an der Druckkammer angebrachte Modulationseinrichtungen 7 wird der Druck in der Druckkammer 5 moduliert, so dass der aus der Düse 6 austretende Tintenstrahl 9 in kurzer Entfernung nach seinem Austritt in einzelne Tintentropfen 11 von im Wesentlichen gleicher Größe aufbricht. Kurz vor dem Aufbrechen werden die einzelnen Tintentropfen 11 über eine Ladeelektrode 8 im Unterschied zur bekannten Ausführung jeweils mit einer gleichen elektrischen Ladung versehen.
Entlang ihrer Flugbahn 100 treten die Tintentropfen 11 nun in ein variables elektrisches Feld 44 ein, das mittels der Elektroden 40a und 40b beziehungsweise E0 und E1 bis En der Elektrodenanordnung 40 gebildet ist. Die Elektrodenanordnung 40 besteht dabei aus einer Anzahl von Einzelelektroden E0 und E1 bis En , die quer zur Flugbahnen 100 der Tintentropfen 11 so angeordnet sind, dass ihre jeweiligen Abstände zueinander dem Abstand einander nachfolgender Tintentropfen entspricht.
Eine Ablenkspannung UO, U1 bis Un an den Elektroden E0 und E1 kann dann über eine geeignete elektronische Schaltung an die nachfolgenden Elektrode E2, anschließend an E3 usw. bis En weitergeschaltet werden, so dass sich ein in Bewegungsrichtung der Tintentropfen mitlaufendes elektrisches Feld ergibt.
Geschieht dies entsprechend der Fluggeschwindigkeit der Tintentropfen, so erfährt jeder Tintentropfen eine individuelle elektrostatische Ablenkung. Durch Variation der Stärke und Dauer des auf jeden Tintentropfen einwirkenden elektrischen Felds können so unterschiedliche Ablenkwinkel für die Tintentropfen erzeugt werden. Aus dem Schriftbild auszusondernde Tintentropfen erfahren beispielsweise keine Ablenkung dadurch, dass das für sie mitlaufende elektrische Feld verschwindet.
Erfindungsgemäß ist es damit möglich, Gruppen von Tintentropfen 12 in bestimmte Richtungen abzulenken, die aus mehreren Einzeltropfen bestehen. Auf jeden Einzeltropfen einer Tropfengruppe wirkte somit bevorzugt das gleiche elektrische Feld in der Ablenkreinrichtung.
Hierbei kann erfindungsgemäß entsprechend einer Vorgabe in einer übergeordneten elektronischen Ansteuerung die maximale Anzahl von Tropfen in einer Tropfengruppe festgelegt werden, die der Anzahl der erfindungsgemäß erzeugten unterschiedlichen Tropfengrößen entspricht. Wird beispielsweise eine maximale Anzahl von 8 Tropfen pro Tropfengruppe festgelegt, so lassen sich 8 unterschiedlich große Tintentropfen erzeugen, was mit dem Zustand des Nichtdruckens zu 9 Graustufen führt. Mit dieser Vorgabe verlassen die Elektrodenanordnung 40 jeweils eine bestimmte Anzahl von einander nachfolgenden Tintentropfen einer Tropfengruppe 12 in eine Ablenkrichtung, wobei die Anzahl der in jeder Tropfengruppe vorhandenen Tintentropfen wie beschrieben unterschiedlich sein kann.
Die so erzeugten Tropfengruppen gelangen nachfolgend in die Elektrodenanordnung 50, umfassend die Elektroden 50a, 50b bzw. Ek1 und Ek2, die jeweils Öffnungen 51 a und 51 b aufweisen. Die Anordnung der Elektroden 50a und 50b ist dabei so, dass das zwischen Ihnen durch Anlegen einer elektrischen Spannung aufgebaute elektrische Feld im Wesentlichen in Flugrichtung der Tintentropfen zeigt. Der Aufbau und die Anordnung der Elektroden 50a und 50b ist weiterhin so, dass die Tintentropfen durch die Öffnungen 51a und 51b der Elektroden 50a und 50b fliegen.
Weiterhin ist der Abstand der Elektroden 50a und 50b so gewählt, dass sich jeweils stets nur ein einzelner Tintentropfen im Zwischenraum zwischen den Elektroden 50a und 50b befindet. Wird nun eine elektrische Spannung Uk an die Elektroden Ek1 und Ek2 angelegt, so baut sich im Zwischenraum zwischen den Elektroden Ek1 und Ek2 ein elektrisches Feld auf, das je nach seiner Stärke und Polarität einen sich in diesem Feldraum befindlichen Tintentropfen entweder beschleunigt oder abbremst.
Dadurch, dass sich jeweils nur ein einzelner Tintentropfen im Zwischenraum befindet, wirkt die so erzeugte Kraft nur auf diesen Tintentropfen. Es ist somit möglich, durch Veränderung der Stärke und /oder der Polarität der anliegenden Spannung Uk einander nachfolgende Tintentropfen unterschiedlich stark zu beschleunigen oder abzubremsen.
Um nun die einzelnen Tintentropfen einer Topfengruppe zu einem gemeinsamen Tintentropfen zu vereinigen ist es erfindungsgemäß vorgesehen die voranfliegenden Tintentropfen einer Tropfengruppe so abzubremsen und die nachfolgenden Tintentropfen so zu beschleunigen, dass sich alle Tintentropfen einer Gruppe nach einer kurzen Distanz nach der Elektrodenanordnung 50 im gemeinsamen Schwerpunkt der Tropfengruppe im Flug vereinigen. Hierdurch ist gewährleistet, dass die so erzeugten unterschiedlich großen Tintentropfen 101 im Wesentlichen den gleichen Abstand zueinander haben und sich somit ein Schriftbild ergibt, welches nach dem Auftreffen der Tintentropfen 101 auf einem Substrat 200 unterschiedlich große Druckpunkte 201 beinhaltet als auch der Abstand der Druckpunkte zueinander regulär ist.
Die Figur 3 zeigt schematisch in perspektivischer Darstellung die Ablenkeinrichtung 40 und die nachgeschaltete Elektrodenanordnung 50 sowie einige beispielhafte Ablenkrichtungen 103, 104 und 105 der Tintentropfen sowie schematisch dargestellte Tropfengruppen. Die Form der Elektroden 50a und 50b kann dabei unterschiedlich sein, beispielsweise rechteckig, Rund, oval oder eine andere dem jeweiligen System angepasste Form aufweisen.
Gleiches gilt für die Öffnungen 51a und 51 b, welche bevorzugt so ausgestaltet sein können, dass sich eine möglichst homogene elektrische Feldverteilung in dem von den Tintentropfen durchquerten Raum zwischen den Elektroden 50a und 50b ergibt.
Es ist auch möglich, die Elektrodenanordnung 50 in Flugrichtung der Tintentropfen zylinderförmig, kugelkalottenförmig oder allgemein konkav auszuführen, so dass unabhängig vom Ablenkwinkel der jeweiligen Tintentropfen diese stets genau entlang der elektrischen Feldlinien den Zwischenraum zwischen den Elektroden 50a und 50b durchqueren.
Die Figuren 4a, 4b und 5a,5b zeigen schematisch den Zusammenhang der Spannung Uk zu den jeweiligen Tintentropfen 11 der jeweiligen Tropfengruppe 12. Figur 4a zeigt hierbei beispielhaft einen sägezahnartigen Verlauf der Spannung Uk von einer positiven Spannung +Uk bis zu einer negativen Spannung -Uk, wobei jedes Teilstück 13a, 13b, 13c eines sägezahnförmigen Spannungsintervalls 13 nur auf den in der Zeichnung darüber dargestellten Tintentropfen wirkt, welcher zu diesem Zeitpunkt die Elektrodenanordnung 50 durchquert. Somit wirkt auf jeden Tropfen nur die für diesen Tropfen bestimmte Feldstärke, wodurch der Tropfen mehr oder weniger stark abgebremst oder beschleunigt wird.
Figur 4b zeigt beispielhaft eine andere Art der Ansteuerung der Elektroden 50a und 50b mit einem stufenartigen Spannungsverlauf, so dass jeder Tintentropfen 11 beim Durchfliegen des Feldraumes eine unterschiedliche aber konstante Feldstärke entsprechend der zu diesem Zeitpunkt wirkenden Spannung in dem jeweiligen Teilstück 13a, 13b, 13c, des Spannungsintervalls 13 erfährt. Es ist zweckmäßig die Summen der beschleunigenden und abbremsenden Spannungen jeweils konstant zu halten, besonders bevorzugt gleich Null. Hierbei können die beschleunigenden bzw. abbremsenden Spannungen auch betragsmäßig unterschiedliche Werte annehmen, was insbesondere bei der Vereinigung ungeradzahliger Tintentropfen zu einem gemeinsamen Tintentropfen vorteilhaft sein kann.
Es kann weiterhin vorteilhaft sein, der variablen Beschleunigungs- bzw. Bremsspannung jeder Tropfengruppe eine Korrekturspannung dergestalt zu überlagern, dass Positionsabweichungen, die zwischen ungeradzahligen und geradzahligen Tropfenvolumina auftreten können, in der Beschriftungsebene kompensiert werden.
Es kann zweckmäßig sein, zwischen den jeweiligen Tropfengruppen einen oder mehrere Tintentropfen in das Fangrohr abzulenken, um so beispielsweise den in den Figuren 4a und 4b dargestellten Spannungssprung zwischen einander nachfolgenden Tropfengruppen von -Uk nach +Uk technisch einfacher zu realisieren. Die an diesen Stellen fehlenden Tintentropfen sind in den Figuren 5a und 5b mit 11b gekennzeichnet. Es ist weiterhin in den Figuren 4a, 4b, 5a, 5b dargestellt, dass innerhalb einer Tropfengruppe nicht alle Tintentropfen vorhanden sein müssen, je nach gewünschter Größe des resultierenden Tintentropfens 101. Diese fehlenden Tintentropfen sind mit 11a bezeichnet. Es ist weiterhin festzustellen, dass jede der dargestellten Tropfengruppe einen unterschiedlichen Ablenkwinkel aufweisen kann.
In einer anderen Ausführung wie in Figur 6 gezeigt ist es vorgesehen, die Vereinigung der einzelnen Tintentropfen einer Tropfengruppe vor der aus der Elektrodenanordnung 40 gebildeten Ablenkeinheit mittels der Elektrodenanordnung 50 durchzuführen, so dass in der Ablenkeinheit 40 unterschiedlich große Tintentropfen entsprechend der gewünschten Auftreffposition auf einem Bedruckstoff angelenkt werden. In diesem Fall erfolgt das Beschleunigen bzw. Abbremsen der Tropfen für die zu vereinigenden Tropfen in der beschriebenen Weise, wohingegen die Spannung Uk für die auszublendenden Tropfen zu null wird wie in den Figuren 7a und 7b gezeigt.

Claims

Verfahren zur Erzeugung von Tintentropfen mit variablem Tropfenvolumen bei einem kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldrucker, dadurch gekennzeichnet, dass eine frei wählbare Anzahl von im Flug aufeinander folgenden Tintentropfen (11,12), die alle die gleiche Geschwindigkeit in einer Richtung haben, während des Fluges von einer Austrittsdüse (6) eines Tropfen (11,12) erzeugenden Tintendruckkopfes (5,6,7) bis zum Auftreff-Ort auf einem Bedruckstoff miteinander vereinigt werden, wobei die Anzahl der Tropfen (11,12), welche zu einem gemeinsamen Tropfen (101) vereinigt werden, eine Tropfengruppe (12) bilden und die Tropfen (11,12) der Tropfengruppe (12) beim Durchfliegen einer Elektrodenanordnung (50) mittels einer einstellbaren Spannung zwischen den Elektroden (50a, 50b) der Elektrodenanordnung (50) jeweils unterschiedlich stark beschleunigt oder verzögert werden, so dass die in der Tropfengruppe (12) voranfliegenden Tropfen verzögert und die nacheilenden Tropfen beschleunigt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tintentropfen (11,12), die aus einer gemeinsamen Düse (6) eines Tintendruckkopfes (5,6,7) ausgestoßen werden, eine im Wesentlichen gleiche Größe aufweisen.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Tintendruckkopf (5,6,7) erzeugten Tintentropfen (11,12) jeweils eine im Wesentlichen gleich große elektrische Ladung aufweisen.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tintentropfen (11,12) mittels eines im Wesentlichen in Flugrichtung der Tropfen (11,12) wirkenden elektrischen Feldes in einer Elektrodenanordnung (50), individuell und/oder wahlweise beschleunigt oder verzögert werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Tropfen der Tropfengruppe (12) nach dem Verlassen der Elektrodenanordnung (50) im Flug zu einem gemeinsamen Tropfen (101) vereinigen.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vereinigung der Tropfen (11,12) einer Tropfengruppe (12) die Spannung zwischen zwei Elektroden (50a, 50b) der Elektrodenanordnung (50) während des Durchfliegens der Tropfengruppe (12) das Vorzeichen ändert.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tintentropfen (11,12) mittels einem gemeinsamen Tintendruckkopf (5,6,7) erzeugt werden und nach ihrer Erzeugung sich entlang einer gemeinsamen Flugbahn (100) bewegen.
Vorrichtung zur Erzeugung von Tintentropfen mit variablem Tropfenvolumen zum Einsatz mit einem kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldrucker, dadurch gekennzeichnet, dass durch sie eine frei wählbare Anzahl von im Flug aufeinander folgenden Tintentropfen (11,12) die alle die gleiche Geschwindigkeit in einer Richtung haben, während des Fluges von einer Austrittsdüse (6) eines die Tropfen erzeugenden Tintendruckkopfes (5,6,7) bis zum Auftreff-Ort auf einem Bedruckstoff miteinander vereinigbar sind, wobei eine Elektrodenanordnung (50) vorgesehen ist, mittels der ein im Wesentlichen in Flugrichtung der Tropfen (11,12) wirkendes in seiner Stärke änderbares elektrisches Feld erzeugbar ist, mittels dem die Tintentropfen (11,12) individuell und/oder wahlweise beschleunigbar und/oder verzögerbar sind, derart, dass die vorausfliegenden Tropfen einer Tropfengruppe (12) verzögert werden und die nacheilenden Tropfen einer Tropfengruppe (12) beschleunigt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens zwei Elektroden (50a, 50b) umfasst, die in Flugrichtung der Tintentropfen (11,12) hintereinander angeordnet sind, derart dass die Flächennormalen der Elektroden (50a, 50b) zumindest im Wesentlichen parallel zur Flugrichtung (100, 103, 104) der Tintentropfen (11,12) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (50a, 50b) der Elektrodenanordnung (50) einen Abstand zueinander aufweisen, der kleiner oder gleich dem mittleren Abstand der sie durchquerenden Tintentropfen (11,12) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Tropfen (11,12), welche zu einem gemeinsamen Tropfen (101) vereinigt werden, vor Eintritt in die Elektrodenanordnung (50) eine Tropfengruppe (12) bilden und die Anzahl der Tropfen der Tropfengruppe (12) frei wählbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass durch sie die Geschwindigkeit jedes Tropfens einer Tropfengruppe (12) derart änderbar ist, dass sich die Tropfen (11,12), einer Tropfengruppe (12) nach dem Verlassen der Elektrodenanordnung (50) im Flug zu einem gemeinsamen Tropfen (101) vereinigen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (50a, 50b) der Elektrodenanordnung (50) an wenigstens eine Ablenkeinrichtung (40) der Tropfen (11,12) derart angepasst sind, dass für jede Richtung (103,104) der Tintentropfen (11,12) nach der wenigstens einen Ablenkrichtung (40) die Flächennormalen der Elektroden und die Richtung (103, 104) der Tintentropfen (11,12) zueinander parallel sind.
Druckvorrichtung umfassend einen Tintendruckkopf zur Erzeugung aufeinander folgender im Wesentlichen gleich großer Tintentropfen mit im Wesentlichen gleicher elektrischer Ladung und eine Ablenkvorrichtung zur Ablenkung einzelner oder Gruppen von Tintentropfen aus ihrer ursprünglichen Richtung, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13 umfasst.
Druckvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13 vor oder nach einer Ablenkvorrichtung (40) angeordnet ist.