WO2017009705A2

WO2017009705A2 - Verfahren zur ansteuerung eines tintendruckkopfs

Info

Publication number: WO2017009705A2
Application number: PCT/IB2016/000986
Authority: WO
Inventors: Jan Franck
Original assignee: Jan Franck
Priority date: 2015-07-13
Filing date: 2016-07-11
Publication date: 2017-01-19
Also published as: IL256571B; US20190054741A1; JP6648251B2; EP3322589B1; AU2016291839B2; CA2991393A1; CN107835748B; WO2017009705A3; CA2991393C; AU2016291839A1; RU2692036C1; EP3322589A2; SG11201800283TA; IL256571A; JP2018524213A; CN107835748A; US10556427B2

Abstract

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Ansteuerung eines Tintendruckkopfs, umfassend wenigstens ein Drucksystem mit einer Düse an der einem zu bedruckenden Substrat zugewandten Seite einer Tintenkammer, die wenigstens bereichsweise, vorzugsweise in ihrem dem Drucksubstrat abgewandten Bereich, durch eine Membran begrenzt wird, welche durch elektrische Ansteuerung eines mit der Membran mechanisch gekoppelten Piezoelements von der Tintenkammer weg bewegbar ist, um Tinte aus einem Vorratsraum in diese hineinzusaugen, sowie in jene hinein bewegbar ist, um daraus durch die Düse einen Tintentropfen herauszudrücken, wobei das Drucksystem, bestehend aus Tintenkammer, Membran, Piezoelement und dessen Ansteuerelektronik, ein schwingfähiges Gebilde darstellt, welches bei einer energiereichen Ansteuerung zu einer Schwingung mit einer Eigenfrequenz fres angeregt wird, die eine Resonanz zeigt, d.h., dass die Schwingung mit der Periode T_res= 1 / f_res nicht oder nur kaum bedämpft wird, und wobei die Helligkeit eines zu druckenden Bildpunktes dadurch variiert wird, indem pro Bildpunkt eine Sequenz von mehreren Tintentropfen aus der selben Düse hintereinander herausdrückbar ist, mit einem zeitlichen Abstand T_tropf = 1 / _ftropf, wobei über das Ansteuersignal nur genau dann Energie in das Drucksystem eingeleitet wird, wenn auch tatsächlich ein Tintentropfen herausgedrückt werden soll.

Description

Verfahren zur Ansteuerung eines Tintendruckkopfs

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Ansteuerung eines Tintendruckkopfs, umfassend wenigstens ein Drucksystem mit einer Düse an der einem zu bedruckenden Substrat zugewandten Seite einer Tintenkammer, die wenigstens bereichsweise, vorzugsweise in ihrem dem Drucksubstrat abgewandten Bereich, durch eine Membran begrenzt wird, welche durch elektrische Ansteuerung eines mit der Membran mechanisch gekoppelten Piezoelements von der Tintenkammer weg bewegbar ist, um Tinte aus einem Vorratsraum in diese hineinzusaugen, sowie in jene hinein bewegbar ist, um daraus durch die Düse einen Tintentropfen herauszudrücken, wobei das Drucksystem, bestehend aus Tintenkammer, Membran, Piezoelement und dessen Ansteuerelektronik, ein schwingfähiges Gebilde darstellt, welches bei einer energiereichen Ansteuerung zu einer Schwingung mit einer Eigenfrequenz f_res angeregt wird, die eine Resonanz zeigt, d.h., dass die Schwingung mit der Periode T_res = 1 / f_res nicht oder nur kaum bedämpft wird, und wobei die Helligkeit eines zu druckenden Bildpunktes dadurch variiert wird, indem pro Bildpunkt eine Sequenz von keinem, einem, zweien oder mehreren Tintentropfen aus der selben Düse hintereinander herausdrückbar ist, mit einem zeitlichen Abstand T_tr0pf = 1 / ftropf-

Ein bekanntes Tintendrucksystem ist in den Fig. 1 bis 4 dargestellt. Man erkennt in Fig. 1 den äußeren, mechanischen Aufbau eines Tintendruckkopfs 1. Dessen zentralen Bereich bildet eine langestreckte Platte 2, mit Justier- und/oder Befestigungsbohrungen 3, 4 und/oder -stiften in stirnseitigen Endbereichen 5 der Platte 2.

Zwischen diesen, der Justierung und Befestigung dienenden Endbereichen 5 befindet sich ein mittiger, vorzugsweise verdickter Teil 6 der Platte 2; dort münden in der einem zu bedruckenden Substrat zugewandten Flachseite 7 der Platte 2 eine Vielzahl von Düsen 8 zur Abgabe von Tintentropfen in Richtung zu dem zu bedruckenden Substrat. Im Bereich der Flachseite 7 kann der mit Düsen 8 versehene Mittelteil 6 der Platte 2 gegenüber den angrenzenden Endbereichen 5 erhaben ausgebildet sein, so dass über die Endbereiche 5 überstehende Köpfe 9 von Befestigungsschrauben das zu bedruckende Substrat nicht berühren.

An der gegenüber liegenden Flachseite 10 der Platte 2 erstreckt sich im Bereich des Mittelteils 6 der Platte 2 ein Mechanismus, der in Fig. 2 im Schnitt dargestellt ist. Daraus kann man ersehen, dass sich hinter jeder Düse 8 ein dieser zugeordnetes Drucksystem 11 befindet.

Jedes Drucksystem 11 umfasst eine eigene Tintenkammer 12, woraus nur die einzige, dort hinein mündende Düse 8 mit Tinte gespeist wird. Diese Tintenkammer 12 ist über einen demgegenüber querschnittlich deutlich verringerten Tintenkanal 13 mit einem speisenden Tintenvorratsraum 14 verbunden; durch den Tintenkanal 13 kann die Tintenkammer 12 nach Abdrücken eines Tintentropfens nachgefüllt werden.

Während der Tintenkanal 13 seitlich in die Tintenkammer 12 mündet, befindet sich an der der Düse 8 gegenüber liegenden Seite der Tintenkammer 12 eine Membran 15, die nur entlang ihres Umfangsrandes festgelegt ist, beispielsweise eingespannt. In ihrem mittigen Bereich ist an der der Tintenkammer 12 abgewandten Seite der Membran 15 der bewegliche Teil eines Piezoelements 16 befestigt, welches seinereits an einer massiven, rückwärtigen Platte oder an einem massiven, rückwärtigen Block 17 festgelegt ist.

Über eine unmittelbar an das Piezoelement 16 angeschlossene Ansteuerschaltung 18 kann dieses zu Kontraktionen oder Expansionen angeregt werden, welche sich 1 : 1 auf die angeschlossene Membran 15 übertragen und daher das Volumen innerhalb der Tintenkammer 12 vergrößern oder verkleinern. Beim Vergrößern der Tintenkammer 12 wird Tinte aus dem Tintenvorratsraum 14 in die Tintenkammer 12 hinein gesaugt, beim Verkleinern der Tintenkammer 12 wird ein Tintentropfen aus der Düse 8 hinausgedrückt, wenn die Volumenverkleinerung ausreichend stark und heftig erfolgt, also ausreichend groß und schnell ist, so dass ein sich infolgedessen an der Düse 8 hinaus wölbender Tintentropfen abreisst.

In Fig. 3 ist zu sehen, dass insgesamt nur wenige Tintenvorratsräume 14 vorgesehen sind, vorzugsweise nur ein oder zwei, an welche jeweils ein größerer Teil von Tintenkammern 12 angeschlossen ist.

In Fig. 4 ist erkennbar, dass sich die Piezoelemente 16 in elektrischer Hinsicht als Kapazitäten darstellen lassen, welche sich bei Verbinden mit einer Speisespannung 19 aufladen, um eine mechanische Reaktion hervorzurufen, beispielsweise eine Kontraktion oder Expansion; sie können auch entladen oder umgeladen werden, um die umgekehrte mechanische Reaktion auszulösen, beispielsweise durch Kurzschließen der beiden elektrischen Anschlüsse einer Kapazität oder durch aktives Anlegen einer anderen Spannung.

Die Gesamtheit eines Drucksystems 11 , also dessen Tintenkammer 12, Membran 15, Piezoelement 16 sowie die Ansteuerschaltung 18 bilden ein schwingungsfähiges System. Dessen Eigenfrequenz f_res richtet sich nach dem geometrischen Aufbau des Drucksystems 11 sowie nach den Eigenschaften seiner Komponenten 12, 15, 16, 18. Jedoch braucht die Eigenfrequenz f_res nicht berechnet zu werden, sondern kann nach Anstoßen einer Schwingung mittels eines ausreichend energiereichen Ansteuersignais an den elektrischen Anschlüssen des Piezoelements 16 abgelesen werden. Dort ist eine weitgehend ungedämpfte Schwingung erkennbar, deren Periode T_res umgekehrt proportional zu der Eigenfrequenz f_res ist: f_res = 1/T_res- Eine Messbeschaltung für die Ermittlung dieser Eigenfrequenz f_res ist denkbar einfach: Eine aktive Ansteuerschaltung 18 für ein Piezoelement erzeugt einen isolierten Ansteuerimpuls oder eine Reihe von zeitlich weit beabstandeten Ansteuerimpulsen, beispielsweise im Abstand von einer oder mehreren Sekunden. Falls der Signalverlauf nach Abgabe des Impulses bzw. jeweils eines Impulses von der Ansteuerschaltung 18 so stark bedämpft wird, dass die Eigenfrequenzschwingung bereits innerhalb einer Schwingungsperiode abklingt, kann die Verbindung zwischen der Ansteuerschaltung 18 und dem Piezoelement 16 nach der Abgabe eines Impulses zusätzlich unterbrochen bzw. bis zu dem nächsten Impuls unterbrochen werden, so dass das Piezoelement 16 samt der angeschlossenen mechanischen Komponenten sich währenddem selbst überlassen ist und ohne nennenswerte Bedämpfung frei schwingen kann, so dass eine Vielzahl von messbaren Schwingungswellen aufeinander folgen. In dieser Phase ist an den elektrischen Anschlüssen des Piezoelements 16 eine elektrische Spannung in Form einer allmählich abklingenden Welle messbar, mit einer Frequenz, die der Resonanzfrequenz f_res des gesamten Systems aus elektrischen und mechanischen Komponenten entspricht.

Die Spannung an dem Piezoelement wird dynamisch gemessen oder aufgezeichnet, bspw. mit einem Oszillographen oder einem Speicheroszilloskop, wobei die Bilddarstellung oder Aufzeichnung von dem Ansteuerimpuls getriggert wird. Auf der Zeitskala des Oszillographenschirms oder einer gespeicherten Signalaufzeichnung kann man dann die Periode T_res einer Resonanzschwingung ablesen und daraus die Resonanzfrequenz f_res bestimmen anhand der Formel: f_res = 1/T_res.

Zur variablen Eindunkelung eines Bildpunktes können pro Bildpunkt bis zu k Tintentropfen abgegeben werden: n = 0, 1 , 2, ... k. Dabei kann das Zeitintervall T_tropf zwischen zwei aufeinanderfolgenden Tintentropfen konstant sein, beispielsweise T_seq/(k-1 ), also ein Teil der gesamten Bildtropfen-Sequenz T_seq, oder ein Vielfaches davon, insbesondere:

T_tropf = T_seq * (k-n)/(k-1 ), wenn n < k Tintentropfen pro Bildpunktsequenz gedruckt werden.

Üblicherweise wird dabei pro Bildpunktsequenz zunächst durch ein Signal mit einer verringerten Amplitude die Eigenschwingung bei der Resonanzfrequenz f_res des Drucksystems 11 angeregt, und sodann wird in dem dadurch vorgegebenen Periodenraster mittels einer entsprechend eingestellten Asnteuerung je ein Tintentropfen pro Periode T_res der Eigenschwindung abgegeben, und zwar jeweils etwa bei der selben Phase der Eigenschwingung. Dies bedingt eine Ansteuerung dahingehend, dass - jedenfalls bei mehr als einem Tintentropfen pro Bildpunktsequenz - gilt:

Ttropf ^{— "}^res-

Damit ordnet sich das Drucksystem der Eigenfrequenz des Systems unter; diese Eigenfrequenz bildet sozusagen den Takt, in welchem gedruckt wird. Es hat sich jedoch erwiesen, dass diese Taktfrequenz f_res vergleichsweise langsam ist und daher die Druckgeschwindigkeit begrenzt. Dies wiederum führt dazu, dass in der Praxis die Anzahl der Tintentropfen pro Bildsequenz soweit als möglich reduziert wird, um die Druckgeschwindigkeit noch in einem erträglichen Maß zu halten; dies wiederum hat jedoch eine reduzierte Druckgenauigkeit zur Folge, weil dann jeder Tintentropfen ein vergleichsweise großes Volumen haben muss, und somit keine feinen Abstufungen möglich sind.

Aus den Nachteilen des beschriebenen Standes der Technik resultiert das die Erfindung initiierende Problem, ein gattungsgemäßes Verfahren derart weiterzubilden, dass die Druckgeschwindigkeit erhöht werden kann, und/oder bei gleicher oder verbesserter Druckgeschwindigkeit die Abstufungen in der Farbhelligkeit verfeinert werden können.

Die Lösung dieses Problems gelingt dadurch, dass über das Ansteuersignal nur genau dann Energie in das Drucksystem eingeleitet wird, wenn auch tatsächlich ein Tintentropfen herausgedrückt werden soll.

Indem somit auf das Anstoßen der Eigenschwingung vor einer Bildpunktsequenz verzichtet wird, ist dort das Drucksystem zunächst in einem Ruhezustand. Der erste Tropfen wird mit einer großen Ansteueramplitude gedruckt, jedoch bei einer verkürzten Impulsdauer, um die in das System eingetragene Energie zu minimieren, so dass bei der Eigenfrequenz keine oder nur eine minimale Anregung erfolgt und das Drucksystem demzufolge auch nach dem ersten Tintentropfen nicht nachschwingt, sondern innerhalb von weniger als einer Periode T_res der Eigenschwingung wieder zur Ruhe kommt, vorzugsweise sogar innerhalb von weniger als der halben Periode T_res der Eigenschwingung. Damit ist die Möglichkeit eröffnet, den Ansteuerimpuls für den nächstfolgenden Tintentropfen innerhalb eines Bruchteils dieser Periode T_res abgeben zu können. Demzufolge finden auch keine rhythmischen Anregungen im Takt der Eigenfrequenz f_res statt, so dass sich keine Eigenschwingung im Zuge mehrerer aufeinanderfolgender Ansteuerimpulse aufbauen kann. Das Drucksystem kehrt vielmehr nach jedem Tintentropfen wieder in den Ruhezustand zurück.

Es hat sich als günstig erwiesen, dass der minimale zeitliche Abstand Tt_r0pf zwischen zeitlich aufeinander folgenden Druck-Ansteuersignalen ungleich der Schwingungsperiode T_res = 1/f_res der resonanten Eigenfrequenz f_res des Drucksystems ist:

¹ tropf res- Am besten ist ein gewisser Sicherheitsabstand Τ_ε = |T_res - T_tropf| > 0 zwischen den beiden Periodenwerten T_tropf T_res, so dass selbst im Fall unmittelbar aufeinander folgender Ansteuersignale keine resonante Schwingung angestoßen wird bzw. dass eine von aufeinander folgenden Ansteuersignalen ggf. ausgelöste Schwingung eine ausreichende Bedämpfung erfährt. Ein solcher Sicherheitsabstand lässt sich definieren durch

^~Γ_ε = |T_res - Ttropf I u * T_res, mit 0 < μ < 1 , insbesondere mit μ = 1/5, oder μ = 1/4, oder μ = 1/3.

Die Erfindung lässt sich dahingehend weiterbilden, dass der minimale zeitliche Abstand Τ_ίΓ0Ρί zwischen zeitlich aufeinander folgenden Druck-Ansteuersignalen gleich oder vorzugsweise kleiner ist als drei Viertel der Schwingungsperiode T_res = 1/fres der resonanten Eigenfrequenz f_res des Drucksystems:

Ttropf _S T_res / 1 ,33.

Dies entspricht einem Wert für μ von μ = 1/4.

Die Erfindung lässt sich dahingehend weiterbilden, dass der minimale zeitliche Abstand T_tropf zwischen zeitlich aufeinander folgenden Druck-Ansteuersignalen gleich oder vorzugsweise kleiner ist als zwei Drittel der Schwingungsperiode T_res = 1/fres der resonanten Eigenfrequenz f_res des Drucksystems:

Ttropf Tres / 1 ,5.

Dies entspricht einem Wert für μ von μ = 1/3.

Eine weitere Konstruktionsvorschrift besagt, dass der minimale zeitliche Abstand T_tr₀pf zwischen zeitlich aufeinander folgenden Druck-Ansteuersignalen gleich oder vorzugsweise kleiner ist als die Hälfte der Schwingungsperiode T_res = 1/f_res der resonanten Eigenfrequenz f_res des Drucksystems:

Ttropf £ T_res / 1.66.

Dies entspricht einem Wert für μ von μ = 2/5.

Eine weitere Konstruktionsvorschrift besagt, dass der minimale zeitliche Abstand T_tr0pf zwischen zeitlich aufeinander folgenden Druck-Ansteuersignalen gleich oder vorzugsweise kleiner ist als die Hälfte der Schwingungsperiode T_res = 1/f_res der resonanten Eigenfrequenz f_res des Drucksystems:

Ttropf < Tres 1 ,75.

Dies entspricht einem Wert für μ von μ = 3/8.

Andererseits kann der minimale zeitliche Abstand T_tropf zwischen zeitlich aufeinander folgenden Druck-Ansteuersignalen nicht beliebig klein gemacht werden, weil sich ansonsten entweder aufeinander folgende Tintentropfen während ihres Fluges vereinigen würden oder aber überhaupt keine Tintentropfen von der Düse ablösen würden. Deshalb sollte auch gelten:

Tt_r0pf > V * T_res, mit 0 < v < 1 , insbesondere mit v = 1/5, oder v = 1/4, oder v = 1/3.

Die Erfindung sieht beispielsweise vor, dass der minimale zeitliche Abstand Ttropf zwischen zeitlich aufeinander folgenden Druck-Ansteuersignalen gleich oder vorzugsweise größer ist als ein Drittel der Schwingungsperiode T_res = 1/fres der resonanten Eigenfrequenz f_res des Drucksystems:

Ttropf > Tres / 4. Dies entspricht einem Wert für v von v = 1/4.

Deshalb sieht die Erfindung vor, dass der minimale zeitliche Abstand T_tr0pf zwischen zeitlich aufeinander folgenden Druck-Ansteuersignalen gleich oder vorzugsweise größer ist als ein Drittel der Schwingungsperiode T_res = 1/f_res der resonanten Eigenfrequenz f_res des Drucksystems:

Ttropf Ü. Tres / 3.

Dies entspricht einem Wert für v von v = 1/3.

Weitere Vorzüge ergeben sich dadurch, dass der minimale zeitliche Abstand Ttropf zwischen zeitlich aufeinander folgenden Druck-Ansteuersignalen gleich oder vorzugsweise größer ist als vier Zehntel der Schwingungsperiode T_res = 1/f_res der resonanten Eigenfrequenz f_res des Drucksystems:

Ttropf > Tres / 2,5.

Dies entspricht einem Wert für v von v = 2/5. Aufgrund der obigen Definition muss für μ und v gelten: μ + v < 1.

Optimale Ergebnisse lassen sich dadurch erzielen, wenn ein folgender Ansteuerimpuls ziemlich genau zu dem Zeitpunkt erfolgt, wenn eine durch den vorangehenden AnSteuerimpuls angestoßene Resonanzschwingung gerade eine halbe Periode absolviert hat, weil dann der neuerliche Ansteuerimpuls antizyklisch zu dem vorangehenden ist und jenem quasi entgegensteuert, diesen also im Idealfall löscht. Dies lässt sich optimal realisieren durch die folgende Bemessung: Ttropf ^— T_res / 2.

In der Praxis hat sich gezeigt, dass auch davon leicht abweichende Werte noch gute Ergebnisse liefern, also:

0,4 ^* T_re_S < T_trOp_f < 0,6 * T_reS) oder insbesondere:

0,45 ^* T_res < T_tr0p_f < 0,55 * T_res.

Eine solche Ansteuerung ist also vollkommen anders als die im Stand der Technik übliche, wo sich die Energien aufeinander folgender Ansteuerimpulse additiv überlagern, also eine Resonanzschwingung weiter verstärken. Bei der vorliegenden Erfindung überlagern sich die Energien aufeinander folgender Ansteuerimpulse dagegen subtraktiv, löschen also jede Resonanzschwingung aus. Mit anderen Worten, während im Stand der Technik Resonanzschwingungen gefördert werden, zielt die Erfindung darauf ab, Resonanzschwingungen zu unterdrücken.

Ein vorteilhafter Nebeneffekt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass sich die Tropfen-Freuqenz mindestens verdoppeln lässt, eventuell sogar noch weiter steigern. Dadurch können pro Bildpunkt mehrere Tropfen abgegeben werden.

Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, dass die Größe oder das Volumen eines Tintentropfens nicht von der Dauer oder von sonstigen Eigenschaften eines vorangehenden AnSteuerimpulses abhängt. Dadurch können nicht nur mehrere Tintentropfen pro Bildpunkt erzeugt werden, sondern sogar unterschiedliche große Tropfen. Die Größen oder Volumina der zu druckenden Tintentropfen einer Bildpunkt- Sequenz können also unterschiedlich sein und/oder unabhängig voneinander.

Die Erfindung erlaubt eine Weiterbildung dahingehend, dass die Reihe unterschiedlicher Tropfengrößen nichtlinear ist. Sie kann bspw. logarithmisch sein, wie 8 : 4 : 2 : 1. Es ist einleuchtend, dass sich mit einem derartigen System Tropfengrößen zwischen einem maximalen Volumen V_max und einem minimalen Volumen V_min erzeugen lassen, bspw. V_max = 15 * V_min. Für eine Tintenmenge pro Bildpunkt von 7 ^* V_min müssten dann je ein Tropfen der Größen 4 ^* V_min, 2 * V_min und 1 * V_min erzeugt werden; eine Tintenmenge pro Bildpunkt von 12 ^* V_min lässt sich mittels je eines Tropfens der Größen 8 * V_min und 4 ^* V_min erzeugen, usw.

Die Größe oder das Volumen eines Tintentropfens kann vergrößert werden, indem die Amplitude eines AnSteuerimpulses erhöht wird. Dadurch wird die Membran 15 weiter ausgelenkt und ein größeres Tintenvolumen verschoben.

Eine andere Möglichkeit zur Vergrößerung der Größe oder des Volumens eines Tintentropfens besteht darin, die Gesamtdauer eines Ansteuerimpulses oder die Dauer der Plateauphase eines Ansteuerimpulses zu erhöhen. Dadurch wird ein sich ablösender Tropfen befähigt, eine größere Tintenmenge nachzuziehen.

Die Größe oder das Volumen eines Tintentropfens lässt sich auch dadurch vergrößern, indem die Dauer der ansteigenden und/oder abfallenden Flanke eines Ansteuerimpulses erhöht wird. Dadurch wird der Mechanik mehr Zeit gegeben, einem Ansteuersignal zu folgen, und auch dadurch kann eine größere Tintenmenge in Bewegung gesetzt werden, die sich dann schließlich in Form eines größeren Tropfens ablöst.

Schließlich entspricht es der Lehre der Erfindung, dass allenfalls bei einem Bildpunkt, dem die Farbintensität null zugeordnet ist, entsprechend keinem Tintentropfen, ein Platzhaltersignal ausgegeben wird, welches jedoch von seiner Intensität her zu schwach ist, um das Abstoßen eines Tropfens zu bewirken; ist einem Bildpunkt jedoch nicht die Farbintensität null zugeordnet, entsprechend einem oder mehreren Tintentropfen, so gibt es jedoch weder vor noch zwischen den AnSteuerimpulsen dieser Bildpunktsequenz ein nicht druckendes Vor- oder Zwischensignal. Einerseits wird dadurch die Druckgeschwindigkeit nicht durch überflüssige Zwischensignale beeinträchtigt; andererseits wird keine überflüssige Energie verbraucht, welche vor allem den Tintenkopf aufwärmt und daher zu Ungenauigkeiten führen kann, und schließlich sind im Idealfall aufeinander folgende Ansteuerimpulse derart optimal aufeinander eingestellt, dass zu der angestrebten Unterdrückung von resonanten Eigenschwingungen keine zusätzlichen Signale erforderlich sind.

Weitere Merkmale, Einzelheiten, Vorteile und Wirkungen auf der Basis der Erfindung ergeben sich aus den Unteranspürchen sowie aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sowie anhand der Zeichnung. Hierbei zeigt:

Fig. 1a-c verschiedene Ansichten eines Tintendruckkopfs;

Fig. 2 einen Vertikalschnitt durch ein Drucksystem des Tintendruckkopfs nach Fig. 1 ;

Fig. 3 das Tintenkammersystem des Tintendruckkopfs nach Fig. 1 in einer schematischen Darstellung;

Fig. 4 die Ansteuerelektronik des Tintendruckkopfs nach Fig. 1 in einer schematischen Darstellung;

Fig. 5 den Zeitverlauf eines üblichen Ansteuersignais für ein Drucksystem nach Fig. 1 bzw. das dazu proportionale Auslenkungssignal des Piezoelements; Fig. 6 den Zeitverlauf des erfindungsgemäßen Ansteuersignales für das Drucksystem nach Fig. 1 ;

Fig. 7 die Einflussmöglichkeiten auf das Steuersignal zur Variation der

Tropfengröße bzw. des Tropfenvolumens, wobei „+" einem vergrößernden Einfluss auf die Tropfengröße entspricht und ein„-„ einem reduzierenden Einfluss;

Fig. 8 einen beispielhaften Zeitverlauf einer erfindungsgemäßen Sequenz von AnSteuerimpulsen, zwecks Darstellung der Möglichkeit, die Tintenmenge durch Übereinanderdrucken von mehreren Tropfen mit unterschiedlichem Volumina zu variieren; sowie

Fig. 9 einen beispielhaften Zeitverlauf einer Bildpunkt-Sequenz im Stand der Technik, wo alle Ansteuerimpulse gleich groß und lang sind, so dass alle Tintentropfen gleiche Volumina aufweisen.

Der Aufbau des Tintendruckkopfs 1 und eines seiner Drucksysteme 11 wurde weiter oben unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 4 bereits ausführlich geschildert.

Die übliche Betriebsweise eines solchen Drucksystems ist in Fig. 5 dargestellt. Dort ist als Graph 20 die Auslenkung x bzw. -x des an die Membran 15 gekoppelten Teils des Piezoelements 16 zu sehen. Die obere Linie des Signals entspricht einer Art Nullstellung des Piezoelements 16 bzw. der Membran 15. Dabei ist die Tintenkammer 12 gerade vollständig mit Tinte gefüllt. Nach unten aufgetragen ist eine Auslenkung des Piezoelements 16 bzw. der Membran 15 von der Tintenkammer 12 weg, woraus eine Vergrößerung des Volumens V in der Tintenkammer resultiert. Diese Volumenvergrößerung AV ist etwa gleich der Auslenkung Δχ der Membran 16, multipliziert mit der Grundfläche F der Tintenkammer 12 bzw. der jene vollständig überspannenden Membran 16:

AV = Q ^* Δχ.

In Fig. 5 ist entlang der Ordinate die Verschiebung -x dargestellt, d.h., dass dort nach oben eine Verstellung der Membran 16 zu der Tintenkammer 12 hin aufgetragen ist. Steigt also der Graph 20 an, so nähert sich die Membran 16 der Tintenkammer 12 um den Wert |Δχ| und demzufolge verringert sich das Volumen V um den Betrag |AV| = Q * |Δχ|, d.h., es gilt Δν < 0. Mit anderen Worten, nach oben ist -Δχ aufgetragen, entsprechend -Δν.

Entlang der Abszisse ist in Fig. 5 die Zeit t aufgetragen.

Ein erster Impuls 21 beginnt bei t = 0. Die Auslenkung 21 in Fig. 5 zeigt dabei nach unten, d.h., Δχ wird größer, also nimmt das Tintenkammervolumen V zu, es wird Tinte in einer Menge Δν in die Tintenkammer 12 gesogen.

Allerdings erfolgt die Auslenkung 21 nicht weit genug, so dass das angesaugte Volumen Δν kleiner ist als das Volumen eines Tropfen V_tropf:

AV < V_tropf.

Demzufolge wird beim Anschließenden Zurückschwingen der Membran 16 kein Tintentropfen durch die Düse 8 gedrückt, sondern die Tintenoberfläche wölbt sich nur durch die Düse 8 nach außen, ohne jedoch aubzureißen.

Durch diese energiereiche Maßnahme wird jedoch in dem Drucksystem 1 die Eigenschwingung mit der Resonanzfrequenz f_res angestoßen, wobei in dem dargestellten Beispiel die Periode T_res = 1 / f_res der resonanten Eigenschwingung bei etwa 15 ps liegt. Anschließend werden in einem bestimmten Zeitraster die Folgeimpulse 22 für das Herausdrücken mehrerer Tintentropfen 24 erzeugt. Jeder Folgeimpuls 22 besteht in Fig. 5 aus einer fallenden Flanke, während der sich das Tintenvolumen V in der Tintenkammer 12 um ein Volumen AV erhöht, wobei gilt:

AV = V_tropf.

Während einer kurzen Plateauphase 23 des Folgeimpulses 22 fließt Tinte von dem Tintenvorratsraum 14 durch den Tintenkanal 13 in die Tintenkammer 12 des betreffenden Drucksystems.

Anschließend schwingt die Membran 16 wieder in ihre Ausgangslage zurück, und das Volumen V innerhalb der Tintenvorratskammer 12 verringert sich um AV. Diese Tintenmenge entspricht jedoch dem Volumen V_tropf eines Tintentropfens, und dieser reisst schließlich jenseits der Düse 8 ab.

Eine solche„Schuß"-Periode, innerhalb der also Tinte in die Tintenkammer 12 eingesaugt und anschließend durch die Düse 8 abgedrückt wird, bis zum Beginn der nächsten Einsaugbewegung der Membran 16, entspricht dabei der Periode T_res der Eigenschwingung des Drucksystems 11 , damit jede Periode bei der selben Phasenlage der Eigenschwingung beginnt.

Damit die Periode T_seq einer gesamten Bildpunktsequenz höchstens bei etwa 50 MS liegt, können pro Bildpunktsequenz daher nur maximal drei Tintentropfen 24 abgegeben werden. Da ferner das Volumen aller Tintentropfen 24 näherungsweise gleich ist, lässt sich demnach die Farbintensität l_F eines Bildpunkts nur in einem groben Raster verändern, nämlich nur in den Stufen

IF = 0 ^* I₀;

IF = 1 ^* lo;

l_F = 2 ^* l₀; l_F = 3 ^* l₀; wobei l₀ der Farbintensität eines einzigen Farbtropfens der betreffenden Größe entspricht.

Es handelt sich also um maximal 4 unterschiedliche Werte, was einer mit 2 Bits darstellbaren Information entspricht: 00 = 0; 01 = 1 ; 10 = 2; 11 = 3.

Dies mag zwar für für einen Tintendrucker normal sein, stellt jedoch kein gutes Ergebnis dar, denn bespielsweise sind die Intensitätswerte der Bildpunkte von mittels einer Kamera aufgenommenen Bildern weitaus feiner aufgelöst, beispielsweise mit 16 verschiedenen Farbintensitäten pro Bildpunkt und Farbe (4 Bit), oder mit 64 Farbintensitäten, oder mit 128 oder gar 256 Farbintensitäten.

Um die obigen Probleme beim Drucken mittels Tintendruckern hinsichtlich einer begrenzten Druckgeschwindigkeit und einer sehr eingeschränkten Auflösung der Farbintensität zu lösen, schlägt die Erfindung - bei ansonsten gleichem Druckkopf 1 bzw. identischem Drucksystem 11 das in Fig. 6 dargestellte Ansteuerverfahren vor.

Dieses Verfahren beruht auf dem Gedanken, sich nicht der Eigenschwingung des Drucksystems 11 mit der Resonanzfrequenz f_res unterzuordnen, sondern jene zu vermeiden, damit das System überhaupt nicht zu seiner Eigenschwingung angeregt wird, so dass jeder Tintentropfen 24 nicht synchron zu einer Schwingung des Drucksystems 11 abgegeben werden muss, sondern theoretisch zu einem beliebigen Zeitpunkt abgegeben werden könnte.

Zur Vermeidung der Eigenschwingung des Drucksystems 11 mit der Resonanzfrequenz f_res sieht die Erfindung mehrere Maßnahmen vor: Einerseits fehlt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein den eigentlichen Druckimpulsen 22' vorangehender Anregungsimpuls 21' völlig.

Daher findet jedenfalls der erste Druckimpuls 22' eine ruhende Membran 16 vor - es herrschen definierte Verhältnisse im Drucksystem 11 , und der erste Tintentropfen 24 wird mit hoher Präzision abgegeben.

Eine weitere Maßnahme zur Vermeidung der Eigenschwingung ist, dass die Plateauphase 23' verkürzt wird. Während im Stand der Technik die Zeit T_pi_at der Plateauphase 23 größer ist als die Zeiten T_anst_> T_abf für die ansteigende oder abfallende Rampe, gilt nun:

Tpiat ^< T_anst

Tpiat ^< Tabf-

Dies wird dadurch erreicht, dass die maximale Auslenkung Ax_max gesteigert wird, bei etwa gleichbleibender Steigung der Anstiegs- und Abfallrampen. Dadurch kann zur Ansaugung desselben Tintenvolumens AV die dazu benötigte Zeit T_pi_at verkürzt werden, weil infolge eines höheren Differenzsaugdrucks zwischen Tintenkammer 12 und Tinntenvorratsraum 14 die Fließgeschwindigkeit erhöht ist.

Demzufolge lässt sich realisieren, dass gilt:

Tabf ⁺ T_p|at ⁺ T_anst T_res/4, insbesondere

Tabf ⁺ T_pi_at ⁺ T_anst ^< T_res/5.

Die Folge dieser Maßnahme ist, dass das Spektrum einer solchen einzelnen Welle zu höheren Frequenzen hin verschoben ist, mithin einen weitaus größeren Frequenzabstand zu der Resonanzfrequenz f_res aufweist. Infolgedessen wird die Resonanzfrequenz f_res hierdurch nicht angestoßen.

Eine weitere Maßnahme zru Vermeidung von resonanten Eigenschwingungen in dem Drucksystem 11 besteht darin, die Dauer einer Periode T_tropf für das Abdrücken eines Tintentropfens weiter zu reduzieren, insbesondere derart, dass gilt:

T_tropf < T_res 1 »5.

Dadurch finden sich in dem Spektrum keine Spektralanteile bei f_res, und demzufolge wird auch keine Eigenschwingung angeregt.

Mehr noch, etwa bei einer Periodendauer von Τ_ίΓ0Ρί = T_res / 2 wird durch einen folgenden Druckimpuls eine ggf. zuvor angestoßene Eigenschwingung der Frequenz f_res durch eine antizyklische Phasenlage wieder gelöscht.

Andererseits sollte die Periodendauer auch nicht zu kurz werden, damit aufeinander folgende Tintentropfen 24 in der Flugphase voneinander getrennt bleiben und sich nicht im Flug unkontrolliert miteinander verbinden, wodurch ansonsten die Größe der aus der Düse 8 gesaugten Tropfen 24 von dem gewünschten Volumen abweichen könnte. Um dies sicherzustellen, empfiehlt die Erfindung die Beachtung folgender Ungleichung:

Ttropf > T_res / 3.

Für das erfindunggemäße Verfahren sind derartige Druckköpfe 1 bzw. Drucksysteme 11 besonders geeignet, bei welchen die Bewegung einer die Tintenkammer 12 zumindest teilweise begrenzenden Membran 15 von einem Piezoelement 16 bewirkt wird. Dessen Aktivitätsrichtung ist zumeist lotrecht zu der Membran 15 gerichtet. Dennoch gibt es verschiedene derartige Piezo- Druckköpfe, welche sich insbesondere hinsichtlich der Anordnung der Membran 15 und des auf jene einwirkenden Piezoelements 16 relativ zu der Lage und Längsrichtung der Düse 8 unterscheiden:

Bei der im Fachjargon„Piston Shooter" genannten Anordnung befindet sich die Membran 15 zwischen der Düse 8 und dem Piezoelement 16, und die Aktionsrichtung des letzteren ist in einer Flucht mit oder parallel zu der Längsrichtung der Düse 8.

Beim sog. „Side Shooter" befindet sich die Membran 15 seitlich an der Tintenkammer 12, sozusagen neben der Düse 8. Während die Membran 15 parallel zu der Düsenrichtung sein kann, ist die Aktionsrichtung des Piezoelements 16 lotrecht zur Längsrichtung der Düse 8, und demzufolge bewegt sich ein abgedrückter Tropfen 24 unter einem Winkel von 90° zur Aktionsrichtung des Piezoelements 16.

Ferner gibt es noch die sog. „Shared Wall"-Anordnung, wo mittels Piezoelementen 16 von beiden Seiten gegen seitlich angeordnete Membranen gedrückt wird, vorzugsweie in entgegengesetzten Richtungen; die Längsrichtung der Düse 8 und die Richtung eines diese verlassenden Tropfens 24 sind jedoch um 90° gegenüber der gemeinsamen Linie der Aktionsrichtungen der Piezoelemente 16 gegeneinander versetzt.

Die Erfindung bietet eine Reihe von Vorteilen:

Der Zeitpunkt des Feuersignals ist unabhängig von einem Vorsignal oder einer Schwingung, da bei Frequenzruhe gefeuert wird. Allenfalls wenn einem Bildpunkt die Farbintensität null zugeordnet ist, entsprechend keinem Tintentropfen, kann ein Platzhaltersignal ausgegeben werden, welches ähnlich dem im Stand der Technik erzeugten Vorsignal von seiner Intensität her zu schwach ist, um das Abstoßen eines Tropfens zu bewirken. Ein solches Platzhaltersignal soll nur dem Zweck dienen, die Tinte innerhalb der Tintenkamme 12 während Phasen des Nichtgebrauchs in einem druckreifen Zustand mit einer optimalen Viskosität zu halten. Außerdem kann eine restliche Eigenschwingung von einem vorangehenden Ansteuersignal gelöscht werden, wenn die Ansteuerung antizyklisch erfolgt, d.h., bei T_tr0pf = T_res / 2.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich aufeinanderfolgende Tintentropfen 24 mit unterschiedlichen, voneinander unabhängigen Tropfengrößen realisieren, die sich gegenseitig nicht beeinflussen.

Dabei ist die Tropfengröße jeweils nur abhängig von

der Dauer der ansteigenden und/oder abfallenden Flanke eines Druckimpulses (eine schnellere Flanke resultiert in einer kleineren Tropfengröße), und/oder

der Dauer eines Druckimpulses insgesamt (ein kürzerer Druckimpuls hat eine kleinere Tropfengröße zur Folge), und/oder

der Amplitude oder Höhe eines Druckimpulses (bei kleinerer Amplitude ist der Tropfen kleiner),

und jeweils umgekehrt, d.h., größere Tropfengrößen lassen sich durch die jeweils entgegengesetzte Maßnahme erzielen.

Durch Variation der obigen Parameter ist es möglich, in einer einzigen Sequenz zur Erzeugung eines Bildpunktes mittels mehrerer Druckimpulse mehrere Tropfen 24 mit unterschiedlichen Größen bzw. Volumina abzustoßen, um Zwischengrößen der Farbintensität zu erreichen.

Die Tropfengröße ist dagegen nur bedingt abhängig vom Düsendurchmesser, da der Tropfen/Meniskus beim Feuern nicht schwingt und vom Düsenrad begrenzt wird, sondern rein von der Energie des Impulses abhängt. Beim derzeitigen Stand der Technik ist der Düsendurchmesser das bestimmende Element der Tropfengröße.

Ferner sind bei der Erfindung die abgestoßenen Tropfen 24 sehr stabil und präzise. Die maximale Tropfengeschwindigkeit wird geringer; neben, vor oder hinter dem Haupttropfen gibt es keine unerwünschten Satellitentropfen.

Mit dem erfndungsgemäßen Verfahren ist eine viel höhere Feuerfrequenz möglich als beim Stand der Technik, bei gleichzeitig steigender Präzision und variabler Tropfengröße. Die Frequenz lässt sich um ca. 100 % steigern auf etwa 200 %, wobei gleichzeitig feinere Grauabstufungen erzielbar sind.

Beim Verdrucken von höherviskösen (Tinten-) Flüssigkeiten beträgt die Einsparung ca. 5 bis 10 %.

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Bezugszeichenliste Tintendruckkopf

Platte

Befestigungsbohrung

Endbereich

Mittelteil

Flachseite

Düse

Schraubenköpfe

Flachseite

Drucksystem

Tintenkammer

Tintenkanal

Tintenvorratsraum

Membran

Piezoelement

rückwärtiger Block

Ansteuerschaltung

Speisespannung

Graph

erster Impuls

Folgeimpuls

Plateauphase

Tropfen

Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Ansteuerung eines Tintendruckkopfs (1 ), umfassend wenigstens ein Drucksystem (11 ) mit einer Düse (8) an der einem zu bedruckenden Substrat zugewandten Seite einer Tintenkammer (12), die wenigstens bereichsweise, vorzugsweise in ihrem dem Drucksubstrat abgewandten Bereich, durch eine Membran (15) begrenzt wird, welche durch elektrische Ansteuerung eines mit der Membran (15) mechanisch gekoppelten Piezoelements (16) von der Tintenkammer (12) weg bewegbar ist, um Tinte aus einem Tintenvorratsraum (14) in diese hineinzusaugen, sowie zu jener hin oder in diese hinein bewegbar ist, um daraus durch die Düse (8) einen Tintentropfen (24) herauszudrücken, wobei das Drucksystem (11), bestehend aus Tintenkammer (12), Membran (15), Piezoelement (16) und dessen Ansteuerschaltung (18), ein schwingfähiges Gebilde darstellt, welches bei einer energiereichen Ansteuerung zu einer Schwingung mit einer Eigenfrequenz f_res angeregt wird, die eine Resonanz zeigt, d.h., dass die Schwingung mit der Periode T_res = 1 / f_res nicht oder nur kaum bedämpft wird, und wobei die Farbintensität eines zu druckenden Bildpunktes dadurch variiert werden kann, indem pro Bildpunkt eine Sequenz von mehreren Tintentropfen (24) aus der selben Düse (8) hintereinander herausdrückbar ist, mit einem zeitlichen Abstand Τ_ίΓ0Ρί = 1 / ftropf. dadurch gekennzeichnet, dass über das Ansteuersignal nur genau dann Energie in das Drucksystem (11 ) eingeleitet wird, wenn auch tatsächlich ein Tintentropfen (24) herausgedrückt werden soll.

Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der minimale zeitliche Abstand T_tr0pf zwischen zeitlich aufeinander folgenden Druck-Ansteuersignalen ungleich der Schwingungsperiode T_res = 1/f_res der resonanten Eigenfrequenz f_res des Drucksystems (11 ) ist: T, tropf res-

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der minimale zeitliche Abstand T_tropf zwischen zeitlich aufeinander folgenden Druck-Ansteuersignalen gleich oder vorzugsweise kleiner ist als die anderthalbfache Schwingungsperiode T_res = 1/f_res der resonanten Eigenfrequenz f_res des Drucksystems (11):

Ttropf < T_res 1 ,5.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der minimale zeitliche Abstand T_tr0pf zwischen zeitlich aufeinander folgenden Druck-Ansteuersignalen gleich oder vorzugsweise kleiner ist als die doppelte Schwingungsperiode T_res = 1/f_res der resonanten Eigenfrequenz f_res des Drucksystems (11 ):

T, tropf _S T_res 1 2.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der minimale zeitliche Abstand T_tr0pf zwischen zeitlich aufeinander folgenden Druck-Ansteuersignalen gleich oder vorzugsweise größer ist als ein Drittel der Schwingungsperiode T_res = 1/f_res der resonanten Eigenfrequenz f_res des Drucksystems (11 ):

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der minimale zeitliche Abstand T_tr0pf zwischen zeitlich aufeinander folgenden Druck-Ansteuersignalen gleich oder vorzugsweise größer ist als zwei Fünftel der Schwingungsperiode T_res = 1/f_res der resonanten Eigenfrequenz f_res des Drucksystems (11): Ttropf > T_res / 2,5.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe oder das Volumen eines Tintentropfens (24) vergrößert wird, indem die Amplitude eines AnSteuerimpulses erhöht wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe oder das Volumen eines Tintentropfens (24) vergrößert wird, indem die Gesamtdauer eines AnSteuerimpulses oder die Dauer der Plateauphase eines AnSteuerimpulses erhöht wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe oder das Volumen eines Tintentropfens (24) vergrößert wird, indem die Dauer der ansteigenden und/oder abfallenden Flanke eines AnSteuerimpulses erhöht wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe oder das Volumen eines Tintentropfens (24) nicht von der Dauer oder sonstigen Eigenschaften eines vorangehenden AnSteuerimpulses abhängt.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Größen der zu druckenden Tintentropfen (24) einer Bildpunkt-Sequenz unterschiedlich sind und/oder unabhängig voneinander.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reihe unterschiedlicher Tropfengrößen nichtlinear ist.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass allenfalls bei einem Bildpunkt, dem die Farbintensität null zugeordnet ist, entsprechend keinem Tintentropfen, ein Platzhaltersignal ausgegeben wird, welches jedoch von seiner Intensität her zu schwach ist, um das Abstoßen eines Tropfens zu bewirken; ist einem Bildpunkt jedoch nicht die Farbintensität null zugeordnet, entsprechend einem oder mehreren Tintentropfen, so gibt es jedoch weder vor noch zwischen den AnSteuerimpulsen dieser Bildpunktsequenz ein nicht druckendes Vor- oder Zwischensignal.