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Die
Erfindung betrifft allgemein Tintenstrahldrucker und insbesondere
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbessern der Leistung von
Tintenstrahldruckern mit kontinuierlichem Tintenstrom, die Tintentropfen
durch asymmetrische Erwärmung
der Tropfen umlenken.
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Traditionell
gibt es für
den Farbtintenstrahldruck zwei, als Drucken mit "Tropfen auf Anforderung" ("Drop-on-Demand") und Drucken "mit kontinuierlichem
Strahl" ("Continuous Stream") bezeichnete Verfahren.
In beiden Fällen
wird Tinte durch im Druckkopf ausgebildete Kanäle zugeführt. Jeder Kanal weist eine
Düse auf,
aus der Tintentropfen ausgestoßen
und auf einem Medium abgelegt werden. Ein typisches Merkmal beider
Verfahren ist, dass sie einen eigenen Tintenvorrat und ein eigenes
Zuführsystem
für jede
zum Drucken verwendete Tintenfarbe erfordern. Gewöhnlich werden
die drei subtraktiven Grundfarben Cyan, Gelb und Magenta verwendet, weil
diese Farben mehrere Millionen wahrgenommene Farbkombinationen erzeugen.
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Beim
Tintenstrahldruck auf Anforderung werden Tintentropfen von einem
Druck erzeugenden Aktuator (thermisch, piezoelektrisch usw.) wahlweise
so ausgestoßen,
dass sie auf ein Druckmaterial auftreffen. Durch wahlweise Aktivierung
des Aktuators wird ein Tintentropfen gebildet und ausgestoßen, der
den Raum zwischen dem Druckkopf und dem Druckmaterial durchquert
und auf das Druckmaterial auftrifft. Zur Erzeugung gedruckter Bilder
wird die Bildung von Tintentropfen individuell gesteuert, während das Druckmaterial
sich relativ zum Druckkopf bewegt. Typischerweise verhindert ein
leichter Unterdruck in jedem Kanal, dass die Tinte ungewollt aus
der Düse entweicht.
Gleichzeitig bildet sich dadurch an der Düse ein leicht konkaver Meniskus
aus, der dazu beiträgt,
die Düse
sauber zu halten.
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Als
Druck erzeugende Aktuatoren werden typischerweise entweder Thermoaktuatoren
oder piezoelektrische Aktuatoren verwendet. Bei Thermoaktuatoren
bewirkt eine Heizeinrichtung durch Erwärmen der Tinte in einer Teilmenge
der Tinte einen Phasenübergang
zu einer gasförmigen
Dampfblase, die den Innendruck der Tinte so stark erhöht, dass
ein Tintentropfen herausgeschleudert wird. Bei piezoelektrischen
Aktuatoren wird ein elektrisches Potential an ein piezoelektrisches
Material angelegt, das über Eigenschaften
zur Erzeugung eines Impulses mechanischer Bewegungsspannung in dem
Material verfingt, sodass durch eine Pumpwirkung ein Tintentropfen
ausgestoßen
wird. Zu den am häufigsten
hergestellten piezoelektrischen Materialien zählen Keramiken, wie zum Beispiel
Bleizirkonattitanat, Bariumtitanat, Bleititanat und Bleimethaniobat.
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Bei
dem zweiten, gewöhnlich
als Drucken "mit
kontinuierlichem Strahl" (Continuous
Stream Printing) oder „kontinuierlicher
Tintenstrahl"-Druck (Continuous
Ink Jet Printing) bezeichneten Verfahren erzeugt eine mit Druck
beaufschlagte Tintenquelle einen kontinuierlichen Strom von Tintentropfen.
Die Tropfen werden dann wahlweise so umgelenkt, dass sie entweder
auf das Druckmaterial auftreffen oder nicht auf dieses gelangen.
In herkömmlichen
kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldruckern werden elektrostatische
Ladevorrichtungen in der Nähe
des Punktes angeordnet, an dem sich ein dünner Arbeitsflüssigkeitsstrahl
in einzelne Tintentropfen auflöst. Die
Tintentropfen werden elektrisch geladen und dann mittels Umlenkelektroden
mit einer großen
Potentialdifferenz zu einer geeigneten Stelle gelenkt. Wenn nicht
gedruckt werden soll, werden die Tintentropfen in eine Fangeinrichtung
(Auffangeinrichtung, Abfangeinrichtung, Rinne usw.) umgelenkt und
entweder in den Kreislauf zurückgeführt oder
entsorgt. Wenn gedruckt werden soll, werden die Tintentropfen nicht
umgelenkt und können
dann auf ein Druckmaterial gelangen. Alternativ besteht die Möglichkeit, umgelenkte
Tintentropfen auf das Druckmaterial gelangen zu lassen, während die
nicht umgelenkten Tintentropfen in der Tintenauffangeinrichtung
gesammelt werden. Kontinuierlich arbeitende Tintenstrahldruckvorrichtungen
sind in der Regel schneller als Vorrichtungen, die mit Tropfen auf
Anforderung arbeiten.
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US-A-6 079 821 offenbart
einen Tintenstrahldrucker mit kontinuierlichem Strahl, bei dem an
den dünnen
Tintenstrahl periodische Wärmeimpulse
angelegt werden, um den Strahl in Tropfen aufzulösen. Die Tropfen können umgelenkt
werden, entweder in einen Behälter
oder, durch wahlweise Betätigung
eines oder mehrerer um eine Ausstoßdüse herum angeordnete Heizelemente,
auf ein Druckmaterial. Mit anderen Worten, die wahlweise Umlenkung
wird durch asymmetrische Erwärmung
der Tintentropfen zur Erzeugung eines Temperaturgefälles in
den Tropfen bewirkt.
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Asymmetrisch
zugeführte
Wärme bewirkt eine
Tropfenumlenkung mit einer Größe, d. h.
einem Winkel, der von mehreren Faktoren abhängt. So wird der Umlenkwinkel
beispielsweise von den geometrischen und thermischen Eigenschaften
der Düse,
der Menge und dem Differential der zugeführten Wärme, dem Tintendruck und den
thermischen Eigenschaften der Tinte beeinflusst. Je größer der
Umlenkwinkel der Tintentropfen, desto zuverlässiger, kompakter und genauer
kann natürlich
der Drucker sein. Die thermischen Eigenschaften der Tinte können bis
zu einem gewissen Grade eingestellt werden. Damit die Kompatibilität mit einer
Vielzahl von verfügbaren
Tinten erhalten bleibt, ist es jedoch wünschenswert, dass ein Drucker
genormte Tintenzusammensetzungen verwenden kann.
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Ferner
ist es wegen der verhältnismäßig hohen
Wärmeleitung
in der Tinte und der verhältnismäßig kleinen
Abmessungen typischer Tintendurchlasskanäle und Düsen schwierig, dem Tintenstrom
asymmetrisch eine große
Wärmemenge
mitzuteilen, d. h. ein großes
Temperaturgefälle
zu erzeugen. Daher sind zur Verbesserung der Umlenkwinkel von Tintentropfen
in Druckern mit kontinuierlichem Strahl komplexe Heiz- und Düsenanordnungen
entwickelt worden. Das gemeinsam abgetretene
U.S. Patent No. 6,247,801 offenbart
eine Anordnung für
die asymmetrische Erwärmung
von Tintentropfen in kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldruckern.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Gleichmäßigkeit
des Druckvorgangs in einem Tintenstrahldrucker zu verbessern. Diese
Aufgabe wird durch die in den folgenden Ansprüchen abgegrenzte Erfindung
gelöst.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten
bevorzugten Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Druckvorrichtung der bevorzugten
Ausführungsform;
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2 eine
schematische Seitenansicht von Teilen der in 1 dargestellten
Druckvorrichtung;
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3 ein
Amplituden-Zeit-Diagramm von Wärmeaktivierungsimpulsen
zum Steuern der Tropfengröße;
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4 eine
Heizeinrichtung der bevorzugten Ausführungsform;
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5 ein
Viskositäts-Temperatur-Diagramm für mehrere
Tintenzusammensetzungen;
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6 ein
Oberflächenspannungs-Temperatur-Diagramm
für dieselben
Tintenzusammensetzungen;
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7 ein
Tintentropfenumlenk-Tintenbehältertemperatur-Diagramm;
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8 eine
schematische Darstellung einer Modifikation der bevorzugten Ausführungsform;
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9 eine
schematische Darstellung einer anderen Modifikation der bevorzugten
Ausführungsform;
und
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10 eine
schematische Darstellung einer weiteren Modifikation der bevorzugten
Ausführungsform;
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1 und 2 zeigen
die Druckvorrichtung 100 der bevorzugten Ausführungsform
mit kontinuierlichem Strom. Der Druckkopf 2 wird aus einem Halbleitermaterial,
z. B. Silizium, hergestellt. Dazu werden bekannte Halbleiterfertigungsverfahren,
z. B. CMOS-Schaltkreisfertigungsverfahren, Fertigungsverfahren für mikroelektromechanische
Strukturen (MEMS) oder dergleichen eingesetzt. Grundsätzlich kann
der Druckkopf 2 aus jedem beliebigen Material unter Einsatz
beliebiger bekannter herkömmlicher Verfahren
hergestellt werden.
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Wie
in 1 gezeigt, ist auf dem Druckkopf 2 um
die entsprechenden, im Druckkopf 2 ausgebildeten Düsen 5 eine
Vielzahl von ringförmigen
Heizeinrichtungen 4 angeordnet. Obwohl jede Heizeinrichtung 4 mit
radialem Abstand zu einem Rand einer entsprechenden Düse 5 angeordnet
werden kann, werden die Heizeinrichtungen 4 vorzugsweise
konzentrisch mit geringem Abstand zu entsprechenden Düsen 5 angeordnet.
Bei der bevorzugten Ausführungsform
sind die Heizeinrichtungen 4 im Wesentlichen kreis- oder
ringförmig
ausgebildet. Die Heizeinrichtungen 4 können jedoch auch als Teilring,
quadratisch oder in einer anderen Form ausgebildet sein. Jede Heizeinrichtung 4 in
der bevorzugten Ausführungsform
besteht grundsätzlich
aus mindestens einem Widerstandsheizelement, das über Leiter 8 mit Kontaktflecken 6 elektrisch
verbunden ist. Wie aus der folgenden Beschreibung der Heizeinrichtungen 4 hervorgeht,
können
die Kontaktflecken 6 jeweils mehrere Kontakte und die Leiter 8 jeweils
mehrere Leiter umfassen.
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Jede
Düse 5 steht über einen
ebenfalls im Druckkopf 2 ausgebildeten Tintendurchlass
(nicht dargestellt) mit einem Tintenvorrat 20 in Flüssigkeitsverbindung.
Für den
Farbdruck mit drei oder mehr Tintenfarben kann der Druckkopf 2 zusätzliche
Tintenvorräte
nach Art des Tintenvorrats 20 sowie zusätzliche entsprechende Düsen 5 aufweisen.
Wird nur ein Tintenvorrat 20 und nur eine Düse 5 verwendet,
ist auch Schwarzweiß-
oder Einfarbendruck möglich.
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Die
Leiter 8 und die elektrischen Kontaktflecken 6 können mindestens
teilweise auf dem Druckkopf 2 ausgebildet oder positioniert
sein und stellen die elektrischen Verbindungen zwischen der Steuerung 10 und
den Heizeinrichtungen 4 her. Stattdessen kann die elektrische
Verbindung zwischen der Steuerung 10 und der Heizeinrichtung 4 auch
auf eine beliebige bekannte Weise hergestellt werden. Die Steuerung 10 kann
eine verhältnismäßig einfache
Vorrichtung sein (eine schaltbare Stromversorgung für die Heizeinrichtungen 4 usw.)
oder eine verhältnismäßig komplexe
Vorrichtung (eine Steuerlogik oder ein programmierbarer Mikroprozessor
in Verbindung mit einer Stromversorgungstemperatur), mit der die
Heizeinrichtungen 4 oder beliebige andere Komponenten der
Druckvorrichtung 100 wie gewünscht gesteuert werden können. Im
Durchflussweg der Tinte kann ein Temperaturfühler 12 angeordnet
werden, um die Steuerung 10 mit Tintentemperaturdaten zu versorgen.
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Durch
Aktivierung der Heizeinrichtungen
4 wird ein dünner Tintenstrahl
aus der entsprechenden Düse
5 ausgestoßen, um
in bekannter Weise in Tropfen aufgelöst zu werden. Wie in
2 gezeigt,
können
die Tropfen wahlweise zu dem als Druckmaterial dienenden Papier
P oder zur Entsorgung oder Wiederverwendung durch wahlweise Umlenkung
von der Achse X weg mit einem Winkel a in den Behälter
30 gelenkt
werden. Eine solche Umlenkung kann in bekannter Weise bewirkt werden.
Zu beachten ist hier, dass die Umlenkung grundsätzlich einsetzt, sobald der
Tropfen die Düse
verlässt.
In der Zeichnung ist der Winkel a jedoch der besseren Übersicht
halber mit Abstand zur Düse
dargestellt. Das der Heizeinrichtung
4 zugeführte Aktivierungssignal
kann zum Beispiel so gesteuert werden, dass es annähernd einer
Reihe von Impulsen entspricht, wie im Folgenden beschrieben.
US-A-6 079 821 offenbart
zum Beispiel, wie ein dünner
Tintenstrahl mit Wärmeimpulsen
beaufschlagt werden kann, damit er sich in Tropfen auflöst.
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Wie
in
3 gezeigt, können
Aktivierungsimpulse der Heizeinrichtung, z. B. elektrische Impulse
im Falle einer elektrischen Widerstandsheizung, dazu verwendet werden,
in zeitlichen Abständen
T1 Wärmeimpulse
zu erzeugen. Wie in
US-A-6
079 821 offenbart, kann eine Heizeinrichtung mit mehreren Abschnitten,
beispielsweise zwei Abschnitten, dazu verwendet werden, die aus
dem dünnen
Tintenstrahl gebildeten Tropfen asymmetrisch zu erwärmen, um die
Tropfen auf diese Weise wahlweise umzulenken. Wie in
4 dargestellt,
weist die Heizeinrichtung
4 der bevorzugten Ausführungsform
zwei Heizelemente
4a und
4b auf, die unabhängig voneinander
gesteuert werden können.
Ein Element kann für
sich alleine aktiviert werden, um in dem Tintentropfen ein Druckgefälle zu erzeugen.
Mit getrennten elektrischen Verbindungen können die Heizelemente
4a und
4b mit
der Steuerung
10 verbunden werden, um die Heizelemente
4a und
4b mit
Aktivierungsimpulsen unterschiedlicher Größe zu beaufschlagen und auf
diese Weise die in der oben beschriebenen Weise gebildeten Tropfen
asymmetrisch zu erwärmen. Die
asymmetrische Erwärmung
kann wahlweise, d. h. in einer vorbestimmten Weise, erfolgen, um
Tropfen wahlweise von der Achse x weg und in den Behälter
30 umzulenken.
Nicht umgelenkte Tropfen können
auf das Papier P auftreffen, um ein Bild zu erzeugen, wenn das Papier
P in einer bekannten Weise relativ zum Druckkopf
2 bewegt
wird. Bei asymmetrischer Anordnung um die Düse
5 genügt alternativ
ein Heizelement.
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Der
Grad der Umlenkung von der Achse X weg ist dem Temperaturunterschied über den
Tropfen, d. h. dem Temperaturgefälle
des Tropfens, im Wesentlichen proportional. Je größer die
Umlenkung, desto weniger genau müssen
natürlich
die Toleranzen des Systems sein. Es ist daher wünschenswert, den Umlenkwinkel
der Tropfen zu maximieren. Zur Gewährleistung einer genauen Umlenkung
und somit eines genauen Drucks ist jedoch auch eine genaue Steuerung
des Temperaturgefälles
im Tintentropfen wichtig. Zu beachten ist ferner, dass Änderungen
der Umgebungstemperatur das Temperaturgefälle in den Tintentropfen beeinflussen
können.
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Üblicherweise
wird die Tinte auf eine Temperatur erwärmt, die hoch genug ist, die
Auswirkungen von Umgebungstemperaturänderungen auf das Temperaturgefälle des
Tropfens zu minimieren. Die Anmelderin hat jedoch festgestellt,
dass für
ein gegebenes Temperaturgefälle
im Tintentropfen die größte Umlenkung
bei reduzierten Tintentemperaturen erzielt wird. Dies bedeutet,
dass mit den bekannten Vorrichtungen nicht die größtmögliche Umlenkung erzielt
wird.
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5 zeigt
ein Viskositäts-Temperatur-Diagramm
für vier übliche Tintenzusammensetzungen mit
Isopropylalkohol oder Wasser als Lösungsmittel. Wie ersichtlich,
nimmt die Viskosität
für alle
vier Tintenzusammensetzungen mit sinkender Temperatur zu. Ferner
zeigen komplexe Fluiddynamikberechnungen, dass die Umlenkung der
Steigung der Viskositäts-Temperatur-Kurve annähernd proportional
ist. Insbesondere hat eine geringere Viskosität eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit
zur Folge, wobei die Abschnitte des Tintenstroms mit der geringeren
Viskosität
dem Tintenstrom eine größere Bewegungsenergie
verleihen. Daher hat ein größeres Viskositätsgefälle über die
Tinte in der Düse
eine größere Umlenkung
zur Folge. Wie ersichtlich, nimmt die Steigung einer jeden Kurve
in 5 bei reduzierten Temperaturen zu.
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Fluiddynamikberechnungen
zeigen auch, dass die Oberflächenspannung
der Tinte zur Umlenkung der Tintentropfen in einer Weise beiträgt, die dem
Beitrag der Viskosität
entgegenwirkt. Eine höhere
Oberflächenspannung
neigt dazu, die Umlenkung zu reduzieren. Die Oberflächenspannung
wirkt dabei wie eine Rückstell-„Feder", die bestrebt ist,
die Umlenkung zu verhindern. 6 zeigt
ein Oberflächenspannungs-Temperatur-Diagramm
für dieselben
vier Tintenzusammensetzungen. Wie ersichtlich, nimmt die Oberflächenspannung
mit sinkender Temperatur zu. Eine Abnahme der Temperatur hat daher
eine Oberflächenspannungskomponente
zur Folge, die bestrebt ist, den Umlenkwinkel zu reduzieren. Da
die Zunahme der Oberflächenspannung
bei reduzierter Temperatur jedoch linear verläuft, nimmt die Oberflächenspannungskomponente
nicht genauso stark zu wie die Viskositätskomponente, die bei sinkender Temperatur
im Wesentlichen exponential zunimmt. Die Auswirkung der Oberflächenspannung
auf die Reduzierung der Umlenkung ist daher nicht zu groß wie die
Auswirkung der Viskosität
auf die Zunahme der Umlenkung bei tieferen Temperaturen.
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7 zeigt
ein Tropfenumlenkungswinkel-Tintenvorratstemperatur-Diagramm bei
Verwendung einer Druckdüse
mit einer Schlitzbreite von 10 μm
und wasserbasierter Tinte. Die Kurve entspricht einem Heizelement
mit einer aktivierten Temperatur von 700 K. Wie ersichtlich, nimmt
der Umlenkwinkel bei fallender Temperatur der Tinte im Tintenvorrat 20 linear
zu.
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Somit
ist ersichtlich, dass bei asymmetrischer Erwärmung eine geringere Tintentemperatur zu
größeren Umlenkwinkeln
führt.
Dies gilt für
eine große
Vielzahl von Tintenzusammensetzungen und Druckkopfkonfigurationen.
Daher weist die bevorzugte Ausführungsform
zur Reduzierung der Tintentemperatur eine in der Nähe des Tintenvorrats 20 angeordnete
Kühleinheit 22 auf
(siehe 1). Je nach Zusammensetzung der Tinte und deren
Gefrierpunkt kann die Tintentemperatur im Tintenvorrat 20 auf
bis zu 250 K reduziert werden. Die Anmelderin hat festgestellt,
dass auch bei Temperaturen von nur 290 K noch ausgezeichnete Ergebnisse
erzielt werden. Die Kühleinheit 22 kann
zum Kühlen
der Tinte auf ihrem Weg zur Düse
beliebig angeordnet werden. So kann die Kühleinheit 22 beispielsweise
in oder auf einem Behälter
des Tintenvorrats 20 angeordnet werden, wie in 1 dargestellt,
auf dem Druckkopf 2 oder um diesen herum, wie in 8 gezeigt,
in der Nähe eines
im Druckkopf 2 ausgebildeten Tintendurchlasses, wie in 9 dargestellt,
in einer Tintendurchlassleitung zwischen dem Tintenvorrat 20 und
dem Druckkopf 2, wie in 10 dargestellt,
oder an einer beliebigen anderen geeigneten Stelle. Die Kühleinheit 22 kann
beliebig ausgebildet sein, beispielsweise als Wärmepumpe, und kann von der
Steuerung 10 gesteuert werden. Der Temperaturfühler 12 kann
in geeigneter Weise so angeordnet werden, dass er die Steuerung 10 bezüglich der
Tintentemperatur regelt.