DE3513442A1

DE3513442A1 - Verfahren zum selektiven, mehrzyklischen, der steuerung der punktgroesse dienenden resonanzbetrieb einer tintenstrahlvorrichtung

Info

Publication number: DE3513442A1
Application number: DE19853513442
Authority: DE
Inventors: William J. Kent Conn. DeBonte; Stephen J. Woodbury Conn. Liker
Original assignee: Exxon Research and Engineering Co
Current assignee: Ricoh Printing Systems America Inc
Priority date: 1984-04-16
Filing date: 1985-04-15
Publication date: 1985-10-17
Anticipated expiration: 2005-04-16
Also published as: JPH0655513B2; GB2157623A; FR2562838B1; DE3513442C2; FR2562838A1; JPS6122959A; GB8509702D0; IT1184441B; GB2157623B; CA1244714A; CH667044A5; NL8501112A; IT8520331A0

Description

VERFAHREN ZUM SELEKTIVEN, MEHRZYKLISCHEN, DER STEUERUNG DER PUNKTGRÖSSE DIENENDEN RESONANZBETRIEB EINER TINTEN-STRAHLVORRICHTUNG

Die Erfindung betrifft Tintenstrahlvorrichtungen, insbesondere ein Verfahren zum Betrieb einer Tintenstrahlvorrichtung in einem Resonanzmodus, um einen Druckvorgang mit hoher Auflösung zu ermöglichen.

Die Ausführung von praktischen Tintenstrahlgeräten und -vorrichtungen, die der Erzeugung eines einzigen Tintentröpfchens auf Anforderung hin dienen, ist in der Technik relativ neu. Bei den bekannten Tintenstrahlvorrichtungen mit "Tropfen auf Anforderung bzw. Verlangen" ist das Volumen jedes einzelnen Tintentröpfchens typischerweise von der Geometrie der Tintenstrahlvorrichtung, dem Typ der verwendeten Tinte und der Größe eines in der Tintenkammer zum Ausstoßen eines Tintentröpfchens aus einer zugeordneten Öffnung entwickelten Überdrucks abhängig. Der effektive Durchmesser und Aufbau der Öffnung, das Volumen und die Struktur der der Öffnung zugeordneten Tintenkammer, der Wandleraufbau und die Methode der Kopplung des Wandlers mit der Tintenkammer stellen weitere Faktoren dar, die das Volumen der von der Öffnung ausgestoßenen, einzelnen Tintentröpfchen bestimmen. Bei jeder derartigen Tintenstrahlvorrichtung ist für eine Abbildung mit hoher Auflösung erforderlich, daß relativ kleine bzw. ein geringes Volumen aufweisende Tintentröpfchen von der Vorrichtung ausgestoßen werden. Typischerweise werden solche Tintentröpfchen mit geringer Größe durch Verkleinerung des Durchmessers der Öffnungen der Tintenstrahlvorrichtung erhalten. Jedoch ist es schwierig, Strahlöffnungen mit kleinem Durchmesser herzustellen, und der Betrieb einer Tintenstrahlvorrichtung, die mit solchen, einen kleinen Durchmesser aufweisenden Öffnui gen

SAD ORIGJM_AL

ausgestattet ist, wird durch Offnungsverstopfungsprobleme (infolge von eingetrockneten Tinte, Verunreinigungen in der Tinte, Papierstaub usw.), durch nachteilige Auswirkungen infolge eines hohen Verhältnisses von Oberflächenspannungskräften zu Trägheitskräften, durch ein dürftiges Ergebnis usw. negativ beeinflußt.

Viele Versuche wurde unternommen, um die Druckdichte sowie die Druckauflösung bzw. -rasterung bei einem Tintenstrahldrucker zu steuern. So werden in der US-PS 3 977 007 bei einem Tintenstrahldrucker Grauschattierung reproduziert, indem man die Zahl der Tintentröpfchen, die an einer vorbestimmten Punktstelle in einer Punktmatrix abgelagert wird, selektiv um eins ändert. In der US-PS 4 018 383 wird ein Verfahren zur Beseitigung von Satellitentröpfchen in einem kontinuierlichen Tintenstrahlsystem gelehrt, wobei das Verfahren beim Drucken ferner für ein selektives Beseitigen oder Einschließen der Tintentröpfchen sorgt, um die Dichte der Tröpfchenströme zu steuern. Bei einer in der US-PS 4 047 183 offenbarten Vorrichtung mit kontinuierlichem Tintenstrahl findet zur Steuerung der Formation und Form der den Tintentröpfchenstrom bildenden Tintentröpfchen ein Laser Anwendung, um die Frequenzkomponenten eines kontinuierlichen Tintenstrahlstromes zur Steuerung der Kennwerte eines die Vorrichtung steuernden Störungs-Steuersignals abzutasten.

Bei der US-PS 4 281 333 wird das Volumen bzw. die Größe der von einer Tintenstrahlvorrichtung mit "Tropfen-auf-Anforderung" ausgestoßenen Tintentröpfchen lediglich durch Variation der Amplituden- oder Leistungshüllkurve der Steuersignalwellenform gesteuert, die zum Betrieb der Tintenstrahlvorrichtung verwendet wird. In der US-PS 4 337 470 wird die von einem Tintenstrahldrucker erzeugte Punktgröße durch Variation der Frequenz der Schwingung eines Vibrators ge-

BAD

steuert, der die in dem Tintenkopf befindliche Tinte in Schwingungen versetzt, um Tintentröpfchen auszustoßen. Diese Tröpfchen werden zur Steuerung der Druckdichte elektrostatisch auf ein Empfangsmedium hin-oder von diesem weggelenkt. Die US-PS 4 393 384 lehrt ein Verfahren zum Betreiben einer Tintenstrahlvorrichtung zum Zwecke der Steuerung des Volumens und der Geschwindigkeit von Tintentröpfchen, die zur absoluten Steuerung der Druckqualität erzeugt werden. Diese Steuerung wird dadurch bewerkstelligt, indem man steuerbar und sukzessive zuerst das Volumen der zugeordneten Tintenkammer verringert, dann das Volumen vergrößert und dann sofort das Volumen um einen Betrag verringert, der geringer als die erste Volumenverringerung ist, und anschließend das Volumen der Tintenkammer zum Ausstoß des Tintentröpfchens vergrößert.

In der US-PS 4 493 388 wird ein Verfahren zum Betrieb einer Tintenstrahleinrichtung offenbart, bei dem das Oszillog ramm des dem Wandler zugeführten Signals einen Unterbrechungszeitabschnitt aufweist, der länger als ein vorbestimmter Zeitabschnitt ist, dem die Zeitabschnitte von drei aufeinanderfolgenden, elektrischen Signalen folgen, wobei zumindest die Amplitude oder die Breite des zweiten der drei elektrischen Signale relativ zu den anderen beiden vergrößert wird, um eine Verringerung des Radius des nach dem Unterbrechungsabschnitt ausgestoßenen zweiten Tintentröpfchens zu verhindern.

In keiner der vorstehend kurz beschriebenen Patentschriften ist offenbart, daß man zum Betrieb einer Tintenstrahlvorrichtung gewisse Resonanzen dieser Vorrichtung erregt, um eine Steuerung in bezug auf die Größe und das Volumen der ausgestoßenen Tintentröpfchen zu ermöglichen.

Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb einer Tintenstrahlvorrichtung vorgeschlagen, das der Steuerung der auf ein Aufzeichnungsmedium aufgedruckten Punktgröße dient. Dieses

Verfahren weist folgende Verfahrensschritte auf: man betreibt eine Wandlereinrichtung, um synchron entweder eine oder eine Kombination der fluidischen und mechanischen Resonanzfrequenzen der Tintenstrahlvorrichtung zur Erzeugung einer dominanten Resonanzfrequenz in der Tintenkammer und der beigeordneten Tinte zu erregen; man läßt entweder einen einzyklischen oder einen subharmonischen Zyklus der dominanten Resonanzfrequenz erzeugen, um im wesentlichen voraussagbar das Volumen eines Tintentröpfchens zu steuern, das von einer Öffnung der Vorrichtung durch die resultierende Druckstörung ausgestoßen wird, die in der zugeordneten Tintenkammer erzeugt wird; man wiederholt sukzessive die vorerwähnten beiden Schritte sooft wie gewünscht synchron mit der dominanten Resonanzfrequenz, um eine Vielzahl von Tintentröpfchen innerhalb eines Zeitabschnittes zu erzeugen, der ein Verschmelzen der Tröpfchen während des Fluges bzw. in der Luft oder auf dem Aufzeichnungsmedium ermöglicht.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Tintenstrahlvorrichtung in Schnitt

ansicht ;

Fig. 2 ein Detail der Tintenstrahlvorrichtung ge

mäß Fig. 1 in vergrößerter Ansicht;

Fig. 3 eine Projektionsdarstellung der Tinten-

strahlvorrichtung in auseinandergezogener

Anordnung, wobei die Tintenstrahlvorrichtung die in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiele umfaßt;

Fig. 4 die Wellenform für elektrische Impulse

eines bevorzugten Ausführungsbeispiels;

BAD ORlQ⁵NAL

Fig. 5 eine sinusförmige Wellenform für elek

trische Signale eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 6 eine Sinus-Halbwellenkurve für ein drittes

Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 7 eine Sinus-Viertelwellenkurve für elek

trische Impulse eines vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 8 eine Sägezahnwellenform für ein fünftes

Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 9 eine dreieckförmige Wellenform für elek

trische Impulse eines sechsten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 10 Ausdrucke (A) bis (F), die von der gezeig-

ten Tintenstrahlvorrichtung unter Verwen

dung des erfindungsgemäßen Verfahrens erhalten wurden und

Fig. 11 Schriftausdrucke (A) bis (C), die die

typische Ausdruckdichte-Steuerung verdeutliehen, die durch den Einsatz der gezeigten

Tintenstrahlvorrichtung unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erreicht werden kann und

Fig. 12 unter Verwendung des erfindungsgemäßen Ver-

fahrens erzeugte Tröpfchen während des

Flugs.

BAD

In den Fig. 1 bis 3 ist eine Tintenstrahlvorrichtung der US-PS 4 459 601 dargestellt, die durch Bezugnahme in diese Beschreibung aufgenommen wird. Die vorliegende Erfindung wurde während der Entwicklung von verbesserten Verfahren zum Betreiben der vorerwähnten Tintenstrahlvorrichtung unter Erzielung eines Druckvorganges mit hohem Auflösungsvermögen bzw. hoher Rasterung gemacht. Die verschiedenen Ausführungsbeispiele der Erfindung, die nachfolgend beschrieben werden, können jedoch bei einer Vielzahl von Tintenstrahlvorrichtungen (insbesondere bei Tintenstrahlvorrichtungen mit "Tropfen-auf-Anforderung") Anwendung finden. Die nachstehend erläuterte Tintenstrahlvorrichtung ist deshalb zur Erläuterung der Erfindung vorgesehen und bedeutet keine Beschränkung. Demzufolge werden in den folgenden Absätzen lediglich die grundlegenden mechanischen Merkmale sowie der Betrieb dieser Vorrichtung erörtert.

Die in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Tintenstrahlvorrichtung umfaßt eine Kammer 200, die eine Öffnung 202 zum Ausstoßen von Tintentröpfchen in Erwiderung auf die Erregung eines Wandlers aufweist, wobei für jeden Strahl eine Reihe derartiger Strahlen (vergleiche Fig. 3) ein Wandler 204 vorgesehen ist. Der Wandler 204 dehnt sich längs seiner Streckungsachse aus und zieht sich längs seiner Streckungsachse zusammen (in den durch die Pfeile in Fig. 2 gezeigten Richtungen), wobei diese Bewegung über eine Kopplungseinrichtung 206 mit der Kammer 200 gekoppelt ist. Die Kopplungseinrichtung 206 umfaßt einen Fuß 207, ein an dem Fuß 207 angrenzendes, viskoelastisches Material 208 und eine Membran 210, die in die in den Fig. 1 und 2 gezeigten Lage vorgespannt ist.

Über eine begrenzte Einlaßeinrichtung in Form einer begrenzten Öffnung 214 fließt Tinte von einem nicht unter Druck gesetzten Behälter 212 in die Kammer 200. Die begrenz!ο Öffnung 214 wird durch eine in einer Durchflußbegrenzungsplatte

BAD ORIGINAL

216 vorgesehenen Öffnung gebildet (vergleiche Fig. 3). Wie aus Fig. 2 ersichtlich, weist der in einer Kammerplatte 220

222 ausgebildete Behälter 212 eine abgeschrägte Kante auf, die in die Öffnung 214 führt. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, ist der Behälter 212 mit einem Zulaufrohr 223 und einem Abzugsrohr 225 ausgestattet. Der Behälter 212 ist infolge der Membran 210 nachgiebig. Diese Membran 210 steht über eine in der Durchflußbegrenzungsplatte 216 vorgesehene, große Öffnung 227, die an eine in der Platte 226 vorgesehene Aussparung 229 angrenzt, mit der Tinte in Verbindung.

Ein Ende jedes Wandlers 204 wird durch das Zusammenwirken des Fußes 207 mit einem in einer Platte 226 vorgesehenen Loch 224 geführt. Wie gezeigt, sind die Füße 207 der Wandler 204 in den Löchern 224 verschiebbar aufgenommen. Die anderen Enden der Wandler 204 sind in einem Block 228 mittels eines in Schlitzen 232 vorgesehenen, nachgiebigen bzw. elastischen Materials230 elastisch befestigt, um eine Abstützung für die anderen Enden der Wandler 204 vorzusehen. Ebenso ist ein elektrischer Kontakt mit den Wandlern 204 in elastischer Weise mit Hilfe einer nachgiebigen Leiterplatte 234 hergestellt, die durch ein geeignetes Mittel, wie z.B. einem Lot, mit einer Elektrode 260 der Wandler gekoppelt ist. Auf der Leiterplatte 234 sind gedruckte Schaltungen 238 vorgesehen.{_ Die Platte 226 (vergleiche Fig. 1 und 3) weist an der Basis

237
eines Schlitzes Löcher 224 auf, die, wie vorstehend erwähnt,

226 die Füße 207 der Wandler 204 aufnehmen. Die Platte ist auch mit einer Aufnahme 239 für eine Heizzwischenlage 240 ausgestattet. Diese Heizzwischenlage 240 umfaßt ein Heizelement 242 mit Spiralen 244, eine Niederhalteplatte 246, eine der Platte 246 zugeordnete Feder 248 sowie eine unmittelbar unterhalb des Heizelements 242 angeordnete Abstützplatte 250. Ferner ist ein Schlitz 253 zur Aufnahme eines Thermistors 252 vorgesehen. Der Thermistor 252 wird verwendet, um die

Temperatur des Heizelements 242 zu überwachen. Die gesamte Heizzwischenlage 240 wird durch eine Abdeckplatte 254 in der in der Platte 226 vorgesehenen Aufnahme 239 gehalten.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, werden die verschiedenen beschriebenen Komponenten der Tintenstrahlvorrichtung mit Hilfe von Schrauben 256, die sich durch Öffnungen 257 nach oben erstrecken, und mit Hilfe von Schrauben 258, die sich durch Öffnungen 259 nach unten erstrecken, zusammengehalten, wobei die Schrauben 258 die Leiterplatte 234 auf der Platte 228 an der richtigen Stelle halten. Die gestrichelten Linien in Fig. zeigen die Verbindungen 263 zu der gedruckten Schaltung auf der Leiterplatte 234. Die Verbindungen 263 koppeln ein Steuergerät 261 mit der Tintenstrahlvorrichtung, um deren Betrieb zu steuern.

Beim üblichen Betrieb der Tintenstrahlvorrichtung ist das

261

Steuergerät so programmiert, daß es zu einem geeigneten Zeitpunkt über seine Verbindung mit der gedruckten Schaltung eine Spannung zu einer bestimmten oder zu einigen der erhitzten Elektroden 260 der Wandler 204 zuführt. Die zugeführte Spannung bewirkt ein elektrisches Feld, das senkrecht zur Streckungsachse der ausgewählten Wandler 204 erzeugt wird, wodurch sich ein Zusammenziehen der Wandler 204 entlang ihrer langgestreckten Achse ergibt. Wenn sich ein spezieller Wandler 204 nach Erregung derart zusammenzieht, bewegt sich der unter dem Fuß 207 des Wandlers 204 befindliche Teil der Membran 210 in Richtung des sich zusammenziehenden Wandlers 204, wodurch effektiv das Volumen der angegliederten Kammer 200 sich vergrößert. Während sich das Volumen der speziellen Kammer 200 derart ausdehnt, wird zu Anfang ein Unterdruck in der Kammer erzeugt, wodurch die darin befindliche Tinte dazu neigt, sich von der Öffnung 202 wegzubewegen, während gleichzeitig Tinte aus dem Behälter 212 über die angegliederte, begrenzte Öffnung 214 in die Kammer 200 fließen kann. Die wäh-

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rend der Nachfü'llung in die Kammer 200 fließende Tintenmenge ist größer als die Menge, die durch die begrenzte Öffnung 214 während dem Abschießen der Tinte zurückfließt. Die Zeit zwischen Nachfüllung und Abschießen wird während des Strahlbetriebs nicht verändert, wodurch somit ein "Nachfüllen vor Abschießen"-Zyklus vorgesehen wird. Das Steuergerät ist so programmiert, daß kurz danach die Spannung bzw. das Steuersignal von einem bestimmten oder einigen der ausgewählten Wandler 204 entfernt wird, wodurch der oder die Wandler 204 sich sehr schnell längs ihrer langgestreckten Achsen ausdehnen und über das viskoelastische Material 208 und die Füße 207 gegen den unter ihnen liegenden Teil der Membran 210 stoßen. Auf diese Weise wird eine rasche Kontraktion bzw. Verringerung des Volumens der zugeordneten Kammer oder Kammern 200 erzielt. Diese schnelle Volumenverringerung der angegliederten Kammern 200 erzeugt einen Druckimpuls bzw. eine Überdruckstörung in der Kammer 200, wodurch von den zugehörigen Öffnungen 202 ein Tintentröpfchen ausgestoßen wird. Es ist zu bemerken, daß bei einer derartigen Erregung eines bestimmten Wandlers 204 dieser sowohl seine Länge verringert als auch seine Dicke vergrößert. Jedoch ist die Vergrößerung seiner Dicke für die dargestellte Tintenstrahlvorrichtung insofern ohne Belang, als die Längenänderungen des Wandlers den Einsatz der einzelnen Tintenstrahlen der Tintenstrahlreihe steuern. Es ist ferner zu bemerken, daß mit der vorliegenden Technologie, d.h. durch die Erregung des Wandlers zum Zwecke der Kontraktion längs ihrer langgestreckten Achsen, ein beschleunigtes Altern der Wandler verhindert wird. In extremen Fällen wird auch eine Depolarisation vermieden.

Wie vorstehend erwähnt, ist es bekannt, daß die Tröpfchengröße, die von einem Impuls-Tintenstrahldrucker erzeugt wird, eng an die Größe der Öffnung der zugehörigen Tintenstrahleinrichtung gebunden ist und daß im allgemeinen nur geringe

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Variationen in bezug auf die Tröpfchengröße, z.B. durch Variation der Steuersignalamplitude oder Steuersignalwellenform, erzeugt werden können. Jedoch muß andererseits für einen hochqualitativen Halbtondruck die Tröpfchengröße in einem weiten Bereich steuerbar sein. Außerdem ist es für gewisse Tinten, die sich auf dem Papier nicht weit ausbreiten, wie z.B. Tinten auf Wachsbasis, erforderlich, daß größere als die bereits durch die gegenwärtigen Verfahren zum Betrieb von Tintenstrahlvorrichtungen erzielbaren Tintentröpfchen zur Erzielung gewünschter Druckpunktdurchmesser erzeugt werden.

Gemäß der Erfindung wurde beim Betrieb der vorstehend beschriebenen Tintenstrahleinrichtung erkannt, daß man durch synchrones Erregen einer oder einer Kombination der fluidischen und mechanischen Resonanzfrequenzen der Tintenstrahlvorrichtung zur Erzeugung einer dominanten Resonanzfrequenzstörung in der entsprechenden, zugeordneten Kammer und der Tinte und durch Erzeugenlassen eines einzyklischen oder eines subharmonischen Zyklus der dominanten Resonanzfrequenz das Volumen der ausgestoßenen Tintentröpfchen steuern kann. Gemäß der Erfindung wurde weiterhin festgestellt, daß durch Wiederholung dieser Betriebsweise in einer iterativen bzw. sukzessiven Art, wobei jeder Folgezyklus synchron mit der dominanten Resonanzfrequenz der Tintenstrahlvorrichtung ist, eine Vielzahl von Tintentröpfchen innerhalb eines Zeitabschnittes ausgestoßen werden kann, der es ermöglicht, daß die Tröpfchen während ihres Fluges durch die Luft oder auf dem Aufzeichnungsmedium verschmelzen können. Dies ermöglicht eine wesentliche Steuerung im Hinblick auf die sich auf dem Aufzeichnungsmedium ergebende Punktgröße relativ zu der von einem einzigen Tintentröpfchen erzielten Punktgröße. Die resultierende Punktgröße ist davon abhängig, wie oft innerhalb eines gegebenen Zeitabschnitts das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung wiederholt wird. Die Fig. 12 zeigt neun Tröpfchen bis 309 während des Flugs zur Erzeugung eines Punkts auf einem

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Aufzeichnungsmedium unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Gemäß der Erfindung wurde ferner erkannt, daß für die illustrative Tintenstrahlvorrichtung dieses Beispiels die Helmholtz-Resonanzfrequenz die dominante Resonanzfrequenz der gegenständlichen Tintenstrahlvorrichtung ist. Andere Tintenstrahlvorrichtungen, die auch unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens betrieben werden können, können als dominante Resonanzfrequenz eine andere Resonanzfrequenz als die Helmholtz-Resonanzfrequenz aufweisen. Zum Zwecke der weiteren Beschreibung und Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Tintenstrahlvorrichtung wird angenommen, daß die Helmholtz-Resonanzfrequenz die dominante Resonanzfrequenz ist. Jedoch bedeutet eine derartige Annahme keine Beschränkung im Hinblick auf den Schutzumfang und die Verwendung der Erfindung.

Das vorliegende Verfahren stellt ein Mehrimpuls-Verfahren zum Betreiben einer Tintenstrahlvorrichtung dar, das die dominante Resonanzfrequenz der Tintenstrahlvorrichtung zur Erregung von Tintentröpfchen mit steuerbarem Volumen durch Pulsation des Wandlers 204 (in diesem Beispiel) mit einer Folgefrequenz der dominanten Resonanzfrequenz verwendet, und zwar unter Verwendung eines einzelnen Impulses oder einer Vielzahl von Impulsen in Abhängigkeit von der erforderlichen Punktgröße. Wo die Helmholtz-Frequenz die dominante Frequenz ist, resultiert diese Frequenz aus der Wechselwirkung der Nachqiebigkeit der Tintenkammer 200 (bei diesem Beispiel)und der Tinten- bzw. Fluidträgheit, ausgedrückt durch die Formel

_F ^H

wobei C gleich der Tintenkammernachgiebigkeit, L gleich der

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Trägheit und 1/L beispielsweise gleich 1/L Öffnung 202 + 1/L begrenzte Öffnung 214~| ist.

Durch Laborversuch und Analyse wurde festgestellt, daß die dargestellte Tintenstrahlvorrichtung eine Helmholtz-Frequenz von etwa 30 kHz hat. Zum Betrieb der gezeigten Tintenstrahlvorrichtung entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren wurden, wie aus Fig. 4 ersichtlich, im wesentlichen rechteckige oder quadratische Wellenimpulse verwendet. Die Impulskennwerte dieser speziellen Wellenform, die aufgefunden wurden, um eine wesentliche Steuerung in bezug auf die Größe des ausgestoßenen Tintentröpfchens vorzusehen, wurden für die verschiedenen gezeigten Zeitabschnitte wie folgt bestimmt: T. = 1,0 Mikrosekunden Impulsanstiegzeit, T„ = 13,0 Mikrosekunden Impulsdauer, T_Q = 1,0 Mikrosekunden Impulsabfallzeit und T. = = 15,0 Mikrosekunden Totzeit, wodurch eine Impulsfolgefrequenz nahe der 30 kHz Helmholtz-Resonanzfrequenz der dargestellten Vorrichtung vorgesehen wird. Es ist zu bemerken, daß in diesem Beispiel die Totzeit T. erforderlich ist, um das einem Wandler zugeführte Steuersignal gleichphasig mit der natürlichen Schwingung des in der Tintenkammer 200 enthaltenen Tintenfluids zu machen bzw. zu koppeln. Es wurde festgestellt, daß durch Zuführung von zwei Impulsen, wie in Fig. 4 gezeigt, zu einem Wandler 204 das Volumen des ausgestoßenen, endgültigen Tintentröpfchens etwa zweimal demjenigen Volumen entsprach, das bei Verwendung eines einzigen Impulses über die gleich Zeitperiode erhalten wurde, in der die beiden Impulse zugeführt wurden. Es wurde ferner festgestellt, daß das Tröpfchenvolumen sich linear in direkter Übereinstimmung mit der Anzahl derartiger, dem Wandler 204 zugeführter Impulse zu vergrößern scheint. Durch Zuführung von zwei oder mehreren Impulsen mit geeigneter Amplitude, die die in Fig. 4 gezeigten Wellenformen und die vorstehend beschriebenen Kennwerte haben, wurde ferner ermittelt, daß dieses Mehrim-

pulsverfahren in einem Verschmelzen der Tintentröpfchen im Flug oder beim Auftreffen auf das Aufzeichnungsmedium resultiert, woraus sich eine vergrößerte Punktgröße auf dem Aufzeichnungsmedium im Vergleich zu Verwendung eines Einzelimpulses zur Erzeugung eines solchen Punktes auf dem Medium ergibt.

Es ist zu bemerken, daß die Wellenform der Fig. 4 und die nachfolgend beschriebenen Wellenformen der Fig. 5 bis 9 unter Laborversuchsbedingungen mit einem handelsüblichen Wellengenerator erzeugt werden können. Bei einer praktischen Vorrichtung muß beispielsweise das Steuergerät 261 speziell ausgestaltet oder programmiert werden, um die gewünschten WpIlenformen und die zur Erzeugung einer bestimmten Punktgröße auf dem Aufzeichnungsmedium erforderliche Anzahl an Impulsen zu erzeugen.

Durchgeführte Tests haben gezeigt, daß die verdeutlichte Vorrichtung, die,wie vorstehend erwähnt, eine Helmholtz-Frequenz von 30 kHz aufweist, unter Verwendung irgendeiner Kombination von Impulsdauer T- und Totzeit T , die sich zwischen 8,0 Mikrosekunden und 16,0 Mikrosekunden bewegen können, arbeiten kann, wobei die Anstiegszeit T und die Abfallzeit T₃ beispielsweise auf eine Mikrosekunde festgelegt wurden. Die untere Grenze dieses Bereichs wird durch die Reaktionszeit des Wandlers oder der Wandler 204 bestimmt, wohingegen die obere Grenze dieses Bereichs durch den Aufbau der Tintenstrahlvorrichtung bestimmt wird, der die Wirksamkeit der Steuerung oder des Betriebs der Vorrichtung mit oder in der Nähe ihrer Helmholtz-Frequenz begrenzt. Die Komplexität des elektronischen Aufbaus des Steuergeräts 261 wird verringert, wenn die Wellenform der Steuerimpulse, wie die in Fig. 4, im wesentlichen der gezeigten entspricht, wobei die Gesamtimpulsdauer (T. + T + T_Q) und die Totzeit T im wesentlichen

gleich sind. Ebenso wurde ein optimaler Betrieb der gezeigten Tintenstrahlvorrichtung erlangt, wenn die gesamte Periodizität des Impulszuges (T + T + T + T) im wesentlichen

1 ίί. ό *Ύ

gleich _sdem Reziproken der dominanten Resonanzfrequenz, in diesem Beispiel 1/F₁. gemacht wird. Es wurde ferner ermittelt,

daß infolge der Beschränkungen aufgrund der Reaktionszeit der Wandler 204, der mit der relativ hohen Frequenz des dominanten Resonanzfrequenzmodus der Steuerung und des Betriebs der Tintenstrahlvorrichtung unter Verwendung des erfindungsgemäßen Mehrimpulsverfahrens gekoppelt ist, viele andere unterschiedliche Wellenformen, die anders als jene der Fig. 4 sind, aber eine gleiche bzw. ähnliche Periodizität aufweisen, verwendet werden können. Andere Wellenformen, die aufgefunden wurden, um eine zufriedenstellende Steuerung hinsichtlich der Punktgröße unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorzusehen, umfassen beispielsweise eine Sinuswellenform,, eine Sinus-Halbwellenform, eine Sinus-Viertelwellenform, eine Sägezahnwellenform sowie eine dreieckförmige Wellenform, wie dies in den Fig. 5 bis 9 in dieser Reihenfolge dargestellt ist. Bei Verwendung derartiger, alternativer Wellenformen zum Betrieb der gezeigten Vorrichtung wurde, wie vorstehend erwähnt, die 30 kHz Helmholtz-Frequenz der Vorrichtung als dominante Frequenz bestimmt. Demzufolge kann für die sinusförmige Wellenform der Fig. 5 1/2 T₅ im wesentlichen gleich 30 kHz gemacht werden. In ähnlicher Weise sollte für die Sinus-Halbwellenkurve der Fig. 6 die Impulsdauer T_ und die Totzeit T₇ etwa gleich 15 Mikrosekunden sein. Ähnliche Bemerkungen gelten für die Impulsdauern T₀, T._. bzw. T.„ der

ο TU \ d. Fig. 7 bis 9 und die Totzeiten T_Q, T bzw. T₁₃ der Fig. 7 bis 9.

Beim Test verschiedener Impuls- bzw. Wellenformen wurde festgestellt, daß die rechteckige oder quadratische Wellenform mit einer viel geringeren Spannungsimpulsamplitude verwendet werden kann, als irgendwelche anderen getesteten Wellenformen,

BAD ORIGiNAL

wie z.B. diejenigen der Fig. 5 bis 9, und zwar wahrscheinlich infolge der schnelleren Anstiegs- und Abfallzeiten. Tatsächlich wurde festgestellt, daß die Sinus-Viertelwellenkurve der Fig. 7 Impulse mit 20% größerer Amplitude erfordert, als die im wesentlichen quadratischen oder rechteckförmigen Impulse der Fig. 4, um von der verdeutlichten Tintenstrahlvorrichtung einen gleichwertigen Druckvorgang zu erhalten. Wie vorstehend erwähnt, kann im allgemeinen die Wellenform der Fig. 4 relativ zu den anderen Wellenformen der Fig. 5 bis 9 relativ zu noch anderen unterschiedlichen Wellenformen viel einfacher auf elektronischem Wege vorgesehen werden.

Beim Testen des erfindungsgemäßen Verfahrens und beim Betrieb der gezeigten Tintenstrahlvorrichtung wurde ferner entdeckt, daß infolge der Dominanz der Helmholtz-Frequenz in der getesteten Vorrichtung das erfindungsgemäße Mehr impulsverfahren ebenso vorgesehen werden kann, indem man die Periodizität der Steuerimpulse auf subharmonische Zyklen der Helmholtz-Frequenz gründet. Man nimmt an, daß man das gleiche Ergebnis für die dominante Resonanzfrequenz von einigen anderen Tintenstrahlvorrichtungen erhalten würde, falls man diese unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens getestet hätte. Bei Verwendung des Beispiels einer 30 kHz Helmholtz-Hauptfrequenz bei einer speziellen Tintenstrahlvorrichtung würde jedoch eine subharmonische Frequenz in Steuerimpulsbreiten resultieren, die sehr groß sein wurden, was eine unerwünschte Verringerung der verwendbaren Druckfrequenz der speziellen Einrichtung oder Tintenstrahlvorrichtung zur Folge hätte. Demzufolge testeten die Erfinder eine Tintenstrahlvorrichtung, die ähnlich der gezeigten Vorrichtung ist, jedoch eine kleinere Tintenkammer 200 (relativ niedriger Nachgiebigkeit) aufweist, um eine Helmholtz-Resonanzfrequenz von etwa 100 kHz vorzusehen. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens

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konnte diese Vorrichtung mit einem zufriedenstellenden Druck betrieben werden, und zwar unter Verwendung von Mehrfachimpulsen mit einer Periodizität von 30 Mikrosekunden, was der dritten Subharmonischen der 100 kHz Helmholtz-Resonanz- bzw. Hauptfrequenz entspricht. Mehrfachimpulse, die eine Periodizität aufweisen, die subharmonisch zu 100 kHz gemacht wurde, z.B. von 20 kHz, wurden getestet, jedoch wurde die Leistung bei diesem subharmonischen Niveau als relativ schwach befunden .

Wie aus Fig.10 ersichtlich, wurden Bänder von sukzessiven Punkten gedruckt, indem eine fortlaufend größere Anzahl von Mehrfachimpulsen zum Drucken jedes Punktes in den entsprechenden Bändern der Ansichten (A) bis (F) verwendet wurden. Die zur Erzeugung der Punktbänder in Fig. 10 verwendeten Mehrfachimpulse waren Sinus-Viertelwellen gemäß Fig. 7, wobei die Impulsdauern T und die Totzeiten T jeweils 15 Mikrosekunden betrugen. Die Spannungsamplitude der Impulse wurde etwa auf 33 Volt konstant gehalten. In dem Punkteband der Ansicht (A) wurde zur Erzielung der gezeigten Punkte lediglich ein derartiger Impuls verwendet. Die Punkte des in der Ansicht (B) gezeigten Bands wurden während der gleichen Zykluszeit als jene in Ansicht (A) erzeugt, jedoch wurden statt einem Impuls zwei Mehrfachimpulse zur Erzeugung jedes Punktes des in Ansicht (B) gezeigten Bandes verwendet. In ähnlicher Weise wui— den die Punkte der in den Ansichten (C) bis (F) gezeigten Bänder unter Verwendung von 3, 4, 5 bzw. 6 Mehrfachimpulsen erzeugt, wobei für den Druck jedes Punktes ein gleicher Zeitzyklus verwendet wurde. Wie erwartet, sind demzufolge die Bänder der Ansichten (A) bis (F) fortlaufend fetter, und zwar infolge der fortlaufend größeren Punktgröße, die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens erhalten wird.

Ähnliche Mehrfachimpulse wurde zur Herstellung der in den Ansichten (A) bis (C) der Fig. 11 gezeigten Schriftartsätze

mit fortlaufend größerer Fettheit verwendet. Die in Ansicht (A) gedruckten Zeichen erforderten einen Steuerimpuls zur Erzeugung jedes der Punkte, die ein bestimmtes Zeichen bilden, wohingegen zwei Impulse zur Erzeugung jedes der einzelnen Punkte der Schrift der Ansicht (B) verwendet wurden sowie drei Impulse zur Erzeugung jedes der einzelnen Punkte, die die Schriftzeichen der Ansicht (C) bilden, verwendet wurden.

Das Resümee der Wirkungsweise der Erfindung ist darin zu sehen, daß beim Betrieb einer Tintenstrahlvorrichtung zum Erzeugen eines Druckpunktes auf einem Aufzeichnungsmedium eine bestimmte Zeitperiode, abhängig von dem Tintenstrahldrucksystem, zugeteilt wird, um das Tintentröpfchen oder die Tintentröpfchen zum Drucken des Punkts auf dem Aufzeichnungsmedium zur Verfügung zu stellen. Die Fettheit eines bestimmten Punktes kann gesteuert werden, indem das Tintenvolumen oder die Anzahl der Tintentröpfchen gesteuert wird, die von der Tintenstrahlvorrichtung während der zugeteilten Zeit zur Erzeugung diese Punktes erzeugt werden. Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Betrieb einer Tintenstrahlvorrichtung, das zur Erzeugung von Tintentröpfchen mit jeweils bekanntem Tintenvolumen einen Steuerimpuls oder eine Vielzahl von Steuerimpulsen zum Betreiben der Vorrichtung während einer bestimmten Punkterzeugungszeit erzeugt, indem die Form und die Periodizität der verwendeten Steuerimpulse sorgfältig gesteuert wird, wodurch die Periodizität der verwendeten Steuerimpulse im wesentlichen gleich der dominanten Resonanzfrequenz der Tintenstrahlvorrichtung gemacht wird.

Das Steuergerät 261 kann zur Ausführung der erforderlichen Steuerfunktionen z.B. mit einer fest verdrahteten Logik oder mit einem programmierten Mikroprozessor oder einer Kombination von beiden ausgestattet werden. Zur Erzeugung der in den Fig. 4 bis 9 gezeigten Wellenformen wurde von den Erfindern ein Wavetek-Wellenformgenerator, Modell 175, herge-

stellt von der Firma Wavetek, San Diego, Kalifornien, verwendet. Bei einer praktischen Ausführung der Vorrichtung würde das Steuergerät 261 typischerweise so ausgestaltet werden, daß es die erforderlichen Wellenformen und Funktionen, wie vorstehend erläutert, für jeden bestimmten Anwendungsfall vorsieht.

Claims

FCJNER EBBINGHAUS FINCK PATENTANWÄLTE EUROPEAN PATENT ATTORNEYS MARIAHILFPLATZ 2 & 3, MÖNCHEN 9O POSTADRESSE: POSTFACH 95 O1 6O1 D-8OOO MÜNCHEN 95 Q ζ 1 ^ Λ. Λ EXXON RESEARCH AND DEAB-32633.0 ENGINEERING COMPANY 15. April 1985 VERFAHREN ZUM SELEKTIVEN, MEHRZYKLISCHEN, DER STEUERUNG DER PUNKTGRÖSSE DIENENDEN RESONANZBETRIEB EINER TINTENSTRAHL VORRICHTUNG Patentansprüche :

1. Verfahren zum Betreiben einer Tintenstrahlvorrichtung zur Steuerung der Größe des auf einem Aufzeichnungsmedium gedruckten Tintenpunkts, wobei die Tintenstrahlvorrichtung eine Wandlereinrichtung zum Erzeugen einer Überdruckstörung in einer zugeordneten, mit Tinte gefüllten Kammer aufweist, um ein Tintentröpfchen von einer angegliederten Öffnung auszustoßen,
dadurch gekennzeichnet, daß man

(1) die Wandlereinrichtung betätigt, um synchron eine oder eine Kombination der fluidischen oder mechanischen Resonanzfrequenzen der Tintenstrahlvorrich-

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tung zur Erzeugung einer dominanten Resonanzfrequenz in der Kammer und in der zugeordneten Tinte zu erregen und

(2) entweder einen einzyklischen oder einen subharmonischen Zyklus der dominanten Resonanzfrequenz erzeugen läßt, um im wesentlichen voraussagbar das Volumen eines Tintentröpfchens zu steuern, das infolge der in der Kammer erzeugten, resultierenden Druckstörung von der Öffnung ausgestoßen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß man die Schritte (1) und (2) so oft wie gewünscht fortlaufend und synchron mit der dominanten Resonanzfrequenz wiederholt, um eine Vielzahl von Tintentröpfchen innerhalb einer Zeitperiode zu erzeugen, die es ermöglicht, daß die Tröpfchen in der Luft oder auf dem Aufzeichnungsmedium verschmelzen können, und um somit die auf dem Aufzeichnungsmedium resultierende Punktgröße relativ zu der von einem einzigen Tintentröpfchen erzielten Punktgröße steuerbar zu steigern.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Wandlereinrichtung zur Erzeugung der Druckstörung auf ein elektrisches Signal anspricht, wobei man beim Verfahrensschritt (1) ferner die Periode des elektrischen Signals entweder im wesentlichen gleich der Periode der Helmholtz-Resonanzfrequenz oder im wesentlichen gleich der Periode einer subharmonischen der Helmholtz-Frequenz macht und das elektrische Signal der Wandlereinrichtung zuführt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß man das elektrische Signal so formt, daß es im wesentlichen einen Impuls mit einer exponent!eilen Vorderflanke und einer stufenförmigen Hinterflanke darstellt.

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5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Wandlereinrichtung zur Erzeugung der Druckstörung auf ein elektrisches Signal anspricht, wobei man beim Verfahrensschritt (1) ferner das elektrische Signal im wesentlichen zu einer quadratischen Welle, einer rechteckigen Welle, einer dreieckigen Welle, einer Sinus-Halbwellenform, einer Sinus-Vollwellenform, einer Sinus-Viertelwellenform, einer Sinuswellenform mit weniger als einer Viertelwelle oder einem Impuls mit einer exponentiellen Vorderflanke und einer stufenförmigen Hinterflanke formt und dieses elektrische Signal dem Wandler zuführt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man die Periode des elektrischen Signals entweder gleich einer Periode der ausgewählten fluidischen und mechanischen Resonanzfrequenzen der Tintenstrahlvorrichtung oder gleich einer Kombination der Perioden der ausgwählten fluidischen und mechanischen Resonanzfrequenzen der Tintenstrahlvorrichtung macht.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß man ferner zur Steuerung der Punktgröße jedes einzelnen Tintentröpfchens das elektrische Signal selektiv auf "EIN" und "AUS" steuert.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Periode des elektrischen Signals im wesentlichen gleich der Periode der Helmholtz-Resonanzfrequenz der Tintenstrahlvorrichtung oder der Periode einer subharmonischen der Helmholtz-Frequenz ist.

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