DE69612308T2

DE69612308T2 - Verfahren und Gerät zum Modulieren der Punktgrösse beim Tintenstrahldrucken

Info

Publication number: DE69612308T2
Application number: DE69612308T
Authority: DE
Inventors: Sharon S. Berger; Ronald F. Burr; David A. Tence
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1995-01-11
Filing date: 1996-01-11
Publication date: 2001-08-09
Anticipated expiration: 2016-01-12
Also published as: EP0721840B1; EP0721840A2; US5689291A; JPH08238768A; DE69612308D1; EP0721840A3

Description

Diese Erfindung betrifft Tintenstrahldrucken und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausstoßen von Tintentropfen unterschiedlichen Volumens aus einem Tintenstrahldruckkopf.
Frühere Tintenstrahldruckköpfe mit Tropfen auf Anforderung stoßen typischerweise Tintentropfen mit einem einzigen Volumen aus, die auf einem Druckmedium Tintenflecken, um Drucken mit "durchgehendem Füllen" bei einer gegebenen Auflösung bereitzustellen, wie 12 Punkte pro Millimeter. Drucken mit einzelner Punktgröße ist für die meisten Text- und Grafikdruckanwendungen annehmbar, die keine "fotografische" Bildqualität verlangen. Fotografische Bildqualität verlangt normalerweise eine Kombination aus einer hohen Punktauflösung und einer Fähigkeit, ein Reflexionsvermögen (d. h., Grauwert) von Punkten zu modulieren, die das Bild bilden.
Beim Drucken mit einer einzigen Punktgröße wird das durchschnittliche Reflexionsvermögen eines Bildbereichs typischerweise durch ein Verfahren moduliert, das "Zittern" genannt wird und bei dem die wahrgenommene Intensität einer Punktreihe moduliert wird, indem selektiv die Reihe mit einer vorbestimmten Punktdichte gedruckt wird. Wenn beispielsweise ein örtliches Durchschnittsreflexionsvermögen von 50 Prozent gewünscht wird, wird die Hälfte der Punkte in der Reihe gedruckt. Ein "Schachbrett"-Muster liefert das gleichförmigste Erscheinen eines örtlichen Durchschnittsreflexionsvermögens von 50 Prozent. Es sind mehrere Zittermuster-Punktdichten möglich, um einen breiten Bereich von Reflexionswerten bereitzustellen. Bei einer Mehrfachanordnung von zwei-malzwei Punkten sind vier Wertemuster des Reflexionsvermögens möglich. Eine Mehrfachanordnung von acht-mal-acht Punkten kann 256 Werte des Reflexionsvermögens erzeugen. Ein verwendbares Grautonbild wird erreicht, indem eine Myriade von geeigneten zitterartigen Reihen über ein Druckmedium in einer vorbestimmten Anordnung verteilt werden.
Jedoch gibt es beim Zittern einen Kompromiss zwischen der Anzahl der möglichen Werte des Reflexionsvermögens und der Fläche der Punktmehrfachanordnung, die verlangt wird, diese Werte zu erreichen. Ein Zittervorgang bei einer Mehrfachanordnung mit acht-mal-acht Punkten in einem Drucker mit einer Auflösung von 12 Punkten pro Millimeter (300 Punkte pro Inch) ergibt eine wirksamen Grauauflösung so niedrig wie 1,5 Punkte pro Millimeter (75 Punkte pro Inch). Grauwertbilder, die mit solchen Zitterreihenmustern gedruckt werden, leiden jedoch an einer Verschlechterung der Bildqualität.
Eine Alternative zum Zittern ist eine Modulation der Tintenpunktgröße, die mit sich bringt, das Volumen eines jeden von dem Tintenstrahlkopf aufgestoßenen Tintentropfens zu steuern. Die Modulation der Tintenpunktgröße (nachfolgend als "Grautondrucken" bezeichnet) behält die vollständige Druckerauflösung bei, indem die Notwendigkeit des Zitterns ausgeschlossen wird. Des Weiteren liefert Grauskaladrucken eine höhere wirksame Druckauflösung. Beispielsweise kann ein mit zwei Punktgrößen bei einer Auflösung von 12 Punkten pro Millimeter (300 Punkte pro Inch) gedrucktes Bild ein besseres Aussehen haben, als dasselbe Bild, das mit einer Punktgröße bei einer Auflösung von 24 Punkten pro Millimeter (600 Punkte pro Inch) mit einer Zitterreihe von zwei Punkten gedruckt wird.
Vorrichtungen und Verfahren zur Modulation des Volumens von Tintentropfen, die von einem Tintenstrahldruckkopf ausgestoßen werden, sind bereits bekannt. US Patent Nr. 3,946,398, das am 23. März 1976 für METHOD AND APPARATUS FOR RECORDING WITH WRITING FLUIDS AND DROP PROJECTION MEANS THEREFORE erteilt wurde, beschreibt einen Tintenstrahlkopf für variables Tropfenvolumen und Tropfen auf Anforderung, der Tintentropfen in Antwort auf Druckimpulse ausstößt, die in einer Tintendruckkammer durch einen piezokeramischen Wandler (nachfolgend "PZT" genannt) hervorgerufen werden. Eine Tropfenvolumenmodulation bringt eine Änderung der Größe der elektrischen Signalformenergie mit sich, die auf den PTZ zur Erzeugung eines jeden Druckimpulses angewendet wird. Man beachte jedoch, dass eine Änderung des Tropfenvolumens auch die Tropfenausstoßgeschwindigkeit verändert, die zu Fehlern bei der Tropfenauftreffposition führt. Deshalb wird das konstante Tropfenvolumen als eine Möglichkeit gelehrt, die Bildqualität aufrechtzuerhalten. Ferner ist die Tropfenausstoßrate auf ungefähr 3000 Tropfen pro Sekunde begrenzt, einer Rate die verglichen mit den typischen Anforderungen an die Druckgeschwindigkeit niedrig ist.
US Patent Nr. 4,393,384, das am 12. Juli 1983 für eine INK PRINTHEAD DROPLET EJECTING TECHNIQUE erteilt wurde, beschreibt eine verbesserte PZT Ansteuersignalform, die Druckimpulse erzeugt, die zeitlich abgestimmt sind, damit sie mit einem Tintenmeniskus wechselwirken, der sich in einer Tintenstrahlöffnung befindet, damit das Tintentropfenvolumen moduliert wird. Die Ansteuersignalform ist so geformt, dass Tintenmeniskus- und Druckkopfresonanzen vermieden werden, und übermäßig Unterdruckauslenkungen verhindert werden, wodurch eine höhere Tropfenausstoßrate, eine schnellere Tropfenausstoßgeschwindigkeit und eine verbesserte Genauigkeit der Tropfenauftreffposition erreicht werden. Die Technik liefert eine unabhängige Steuerung des Tropfenvolumens und der Ausstoßgeschwindigkeit.
Jedoch liefert diese Tröpfchenausstoßtechnik nur Tintentropfen mit einem Durchmesser der gleich dem oder größer als der Öffnungsdurchmesser ist. Ein Tintentropfen mit dem Durchmesser der Öffnung flacht sich beim Stoß auf ein Druckmedium ab, wodurch ein größerer Punkt als der Öffnungsdurchmesser erzeugt wird. Drucken mit durchgehendem Füllen bringt mit sich, einen fortlaufenden Strom von Tintentropfen mit dem größten Volumen tangential voneinander beabstandet bei der Auflösung des Druckers auszustoßen. Deshalb müssen bei einem Drucker mit einer Auflösung von 12 Punkten pro Millimeter die größten Tropfen einen Durchmesser von ungefähr 118 Mikron aufweisen. Wenn Grautondrucken verlangt wird, werden kleinere Punkte verlangt, die auf einen Durchmesser von etwas mehr als der Öffnungsdurchmesser begrenzt sind. Offensichtlich wird ein sich 25 Mikron nähernder Öffnungsdurchmesser verlangt, wobei dies aber ein Durchmesser ist, den herzustellen, unzweckmäßig ist, und der leicht verstopft.
US Patent Nr. 5,124,716, das am 23. Juni 1992 für ein METHOD AND APPARATUS FOR PRINTING WITH INK DROPS OF VARYING SIZES USING A DROP-ON-DEMAND INK JET PRINT HEAD erteilt und auf den Zessionar der vorliegenden Erfindung übertragen wurde, und US Patent Nr. 4,639,735, das am 27. Januar 1987 für APPARATUS FOR DRIVING LIQUID JET HEAD erteilt wurde, beschreiben Schaltungen und PTZ Ansteuersignalformen, die zum Ausstoßen von kleineren Tintentropfen als ein Tintenstrahlöffnungsdurchmesser geeignet sind. Jedoch weist jeder Tintentropfen eine Ausstoßgeschwindigkeit auf, die seinem Volumen proportional ist, und unglücklicherweise Fehler bei der Tropfenauftreffposition hervorrufen können.
Ein Ausgleich der Ausstoßgeschwindigkeit des Tintentropfens ist in der parallel anhängigen US Patentanmeldung Nr. 07/892494 von Roy u. a. beschrieben, die am 3. Juni 1992 für METHOD AND APPARATUS FOR PRINTING WITH A DROP-ON-DEMAND INK-JET PRINT HEAD USING AN ELEKTRIC FIELD eingereicht und auf den Zessionar der vorliegenden Erfindung übertragen wurde. Ein zeitinvariantes, elektrisches Feld beschleunigt die Tintentropfen umgekehrt proportional zu ihrem Volumina, wodurch die Wirkung von Ausstoßgeschwindigkeitsunterschieden verringert wird. Gemäß einem anderen Gesichtspunkt des elektrischen Feldeinsatzes wird ein PZT mit einer Signalform angesteuert, die ausreicht, dass sich ein Tintenmeniskus von der Öffnung her wölbt, aber unzureichend ist, einen Tropfenausstoß zu bewirken. Das elektrische Feld zieht einen feinen Tintenfaden von dem herauswölbenden Meniskus, um einen kleineren Tintentropfen als den Öffnungsdurchmesser zu bilden. Unglücklicherweise fügt das elektrische Feld an Komplexität, Kosten, möglicher Gefahr, Staubanziehung und Unzuverlässigkeit einem Drucker hinzu.
Eine noch andere Methode zur Modulation des Tropfenvolumens ist in US Patent Nr. 4,746,935 geoffenbart, das am 24. Mai 1988 für MULTITONE INK JET PRINTER AND METHOD OF OPERATION erteilt wurde. Dieses beschreibt einen Tintenstrahldruckkopf mit mehreren Öffnungsgrößen, von denen jede optimiert ist, ein bestimmtes Tropfenvolumen auszustoßen. Natürlich ist ein solcher Druckkopf wesentlich komplexer als ein Druckkopf mit einer einzigen Öffnungsgröße, der zumindest die doppelte Anzahl an Strahlen aufweist und dennoch eine sehr kleine Öffnung verlangt, um die kleinsten Tropfenvolumina zu erzeugen.
US Patent Nr. 4,503,444, das am 5. März 1985 für METHOD AND APPARATUS FOR GENERATING A GRAY SCALE WITH A HIGH SPEED THERMAL INK JET PRINTER erteilt wurde, US Patent Nr. 4,513299, das am 23. April 1985 für SPOT SIZE MODULATION USING MULTIPLE PULSE RESONANCE DROP EJECTION erteilt wurde und "Spot-Size Modulation in Drop-On-Demand lnk-Jet Technology", E. P. Hofer, SID Digest, 1985, S. 321, 322 beschreiben jeweils die Verwendung einer PZT Mehrimpulsansteuersignalform um eine vorbestimmte Anzahl kleiner Tintentröpfchen auszustoßen, die sich während des Flugs vermischen, um einen einzigen, größeren Tintentropfen zu bilden. Diese Technik hat den Vorteil einer konstanten Tropfenausstoßgeschwindigkeit, bildet aber von vornherein viel größere Tropfen als der Öffnungsdurchmesser des Tintenstrahlkopfes.
Natürlich sind die physikalischen Gesetze, die die Tintenstrahltropfenbildung und den Ausstoß beherrschen, in komplexer Weise wechselwirkend. Deshalb beschreibt US Patent Nr. 4,730,197, das am 8. März 1988 für ein IMPULSE INK JET SYSTEM ausgegeben wurde und kennzeichnet zahlreiche Wechselwirkungen zwischen den geometrischen Merkmalen eines Tintenstrahls, den PZT Ansteuersignalformen, der Meniskusresonanz, der Druckkammerresonanz und den Tintentropfenausstoßeigenschaften. Insbesondere beeinflusst in einem Druckkopf mit mehreren Öffnungen das Übersprechen zwischen den Strahlen die Volumengleichförmigkeit des Tintentropfens, so dass "Blindkanäle" und Compliance-Kammerwände vorgesehen werden, um die Übersprechwirkungen zu minimieren. Tropfenausstoßraten von 10 Kilohertz werden mit Ausgleichstechniken für die PZT Ansteuersignalform erreicht, die Druckkopf- und fluidische Resonanzen berücksichtigen. Jedoch versagt diese Druckschrift, ein gleichförmiges Tropfenvolumen zu erreichen, so dass der sich ergebende Tropfendurchmesser ungefähr der gleiche wie der Öffnungsdurchmesser ist. In dem Patent gibt es keinen Hinweis auf eine Volumenmodulation des Tintentropfens, und das Patent ist nicht auf Grautondrucken gerichtet.
US Patent Nr. 5,170,177, das am 8. Dezember 1992 für METHOD OF OPERATING AN INK JET TO ACHIEVE HIGH PRINT QUALITY AND HIGH PRINT RATE erteilt wurde und auf den Zessionar der vorliegenden Erfindung übertragen wurde, beschreibt PZT Ansteuersignalformen mit einer spektralen Energieverteilung, die bei vorherrschenden Resonanzfrequenzen eines Tintenstrahlkopfes minimiert ist. Eine konstante Tintentropfenvolumen- und Ausstoßgeschwindigkeit werden dadurch über einen weiten Bereich von Tropfenwiederholungsraten erzielt. Jedoch ähnlich der Lehre des US Patents Nr. 4,730,197 wird ein gleichförmiges und optimales Tintentropfenvolumen gesucht, und der sich ergebende Tropfendurchmesser ist ungefähr der gleiche wie der Öffnungsdurchmesser. Wiederum gibt es keinen Hinweis auf eine Volumenmodulation des Tintentropfens noch wird Grautondrucken beachtet.
Was deshalb benötigt wird, ist ein einfaches und preisgünstiges Tintenstrahldruckkopfsystem, das Grautondrucken mit hoher Auflösung und Drucken mit wahlweiser Auflösung ohne Leistungsminderung erlaubt. Dieses Bedürfnis wird durch die Konstruktion und das Verfahren der vorliegenden Erfindung erfüllt.
Eine Zielsetzung dieser Erfindung ist deshalb, ein Verfahren für Grautontintenstrahldrucken zu schaffen, um Tintentropfen mit einer hohen Wiederholungsrate zu erzeugen, die eine steuerbare Größe aufweisen, die kleiner als die Öffnungsgröße sein kann.
Eine weitere Zielsetzung dieser Erfindung ist, ein Verfahren zum Ansteuern eines herkömmlichen Tintenstrahlkopfes zu schaffen, um seine Leistung und die Auflösung des Ausgangsprodukts zu verbessern.
Eine weitere Zielsetzung dieser Erfindung ist, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, um bei kleiner Tintenstrahlöffnung Leistungsqualität durch ein zuverlässiges und einfaches Verfahren zu erhalten, das eine große Tintenstrahlöffnung herstellt.
Eine noch andere Zielsetzung dieser Erfindung ist, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Grauton-Tintenstrahldrucken hoher Auflösung zu schaffen, die keine schwingenden elektrischen Felder oder mehrfache Strahlen und/oder Öffnungsgrößen verlangen.
Eine noch andere Zielsetzung dieser Erfindung ist, eine Vorrichtung und Verfahren zum Tintenstrahldrucken mit hoher Auflösung zu schaffen, die mehrere auswählbare Druckauflösungen bereitstellen.
Eine Tintenstrahlvorrichtung und Verfahren entsprechend dieser Erfindung stellt Grautondrucken mit hoher Auflösung oder Drucken mit auswählbarer Auflösung bereit, indem mehrere PZT Ansteuersignalformen bereitgestellt werden, von denen jede eine spektrale Energieverteilung aufweist, die eine unterschiedliche modale Resonanz von Tinte in einer Öffnung eines Tintenstrahldruckkopfes anregt. Indem die besondere Ansteuersignalform ausgewählt wird, die die spektrale Energie der Frequenzen konzentriert, die mit einem erwünschten Schwingungsmodus verbunden sind, und äußere oder störende Frequenzen vermeidet, die mit dem erwünschten Modus konkurrieren, um die Energie bei anderen Schwingungsmoden zu unterdrücken, wird ein Tintentropfen ausgestoßen, dessen Durchmesser zu der mittigen Auslenkgröße des ausgewählten Schwingungsmodus der Meniskusfläche proportional ist. Die mittige Auslenkgröße von Schwingungsmoden höherer Ordnung ist wesentlich kleiner als der Öffnungsdurchmesser, wodurch der Ausstoß von Tintentropfen hervorgerufen wird, die kleiner als der Öffnungsdurchmesser sind. Herkömmliche Öffnungsherstellungstechniken können verwendet werden, weil ein bestimmter Öffnungsdurchmesser nicht verlangt wird.
Es ist ein Vorteil, dass die Strahlzuverlässigkeit verbessert wird, indem die Notwendigkeit einer unherkömmlich kleinen Öffnung ausgeschlossen wird, sowie die Möglichkeit von Verunreinigungen verringt wird, die Tintenstrahlöffnung zu verstopfen.
Es ist ein weiterer Vorteil, dass die Erfindung eine Auswahl der ausgestoßenen Tintentropfenvolumina bereitstellt, die im Wesentlichen gleiche Ausstoßgeschwindigkeiten über einen breiten Bereich von Ausstoßwiederholungsraten aufweisen.
Es ein weiterer Vorteil, dass die Erfindung die Auswahl von mehreren Druckauflösungen bereitstellt, die einen Kompromiss zwischen Druckgeschwindigkeit und Druckqualität erlauben.
Weitere Zielsetzungen und Vorteile dieser Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen offensichtlich, die unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erfolgt.
Fig. 1 ist ein schematischer Schnitt eines durch einen PZT angesteuerten Tintenstrahls, der zur Verwendung in einem Tintenstrahldruckkopf einer Art geeignet ist, die bei dieser Erfindung verwendet wird.
Fig. 2A, 2B und 2C sind vergrößerte bildhafte Querschnittsansichten eines Öffnungsabschnitts des Tintenstrahls der Fig. 1, wobei Betriebsmoden null, eins und zwei des Öffnungsfluidflusses entsprechend dieser Erfindung gezeigt sind.
Fig. 3 zeigt in Kurvenform die Frequenz des Meniskusoberflächenwellenmodus als Funktion des Öffnungsseitenverhältnisses.
Fig. 4 zeigt in Kurvenform eine mathematisch nachgebildete Verschiebungshöhe eines Meniskusoberflächenwellenmodus als Funktion des radialen Öffnungsabstands und der Moduszahl.
Fig. 5A-5F zeigen in Kurvenform den berechneten Real- und Imaginärteil von inneren Formen eines Trägheits- und viskosen Öffnungsgeschwindigkeitsmodus, die für jeweils, 1, 10, 20, 35, 50 und 100 Kilohertz Erregungsfrequenz aufgetragen sind.
Fig. 6A und 6B sind schematische Schnittansichten, die an zwei Zeitpunkten einen Tintentropfen bei einem Betriebsmodus null (groß) zeigen, der in einer Öffnung gebildet wird.
Fig. 7A und 7B sind schematische Schnittansichten, die an zwei Zeitpunkten einen Tintentropfen bei einem Betriebsmodus zwei (klein) zeigen, der in einer Öffnung gebildet wird.
Fig. 8A, 8B und 8C sind Signalformschemata, die die Beziehung zwischen der elektrischen Spannung und dem Zeitpunkt von PZT Ansteuersignalformen zeigen, die verwendet werden Tintentropfen mit einem großen, mittleren und kleinen Volumen (entsprechend dem Betriebsmodus null, eins und zwei) in einer Weise entsprechend dieser Erfindung zu erzeugen.
Fig. 9A, 9B und 9C zeigen als Kurve die spektrale Energie als eine Funktion der Frequenz der PZT Ansteuersignalformen, die jeweils in den Fig. 8A, 8B und 8C gezeigt sind.
Fig. 10 ist ein schematisches Blockdiagramm, das die elektrische Verbindung der Vorrichtung zeigt, die verwendet wird, PTZ Ansteuersignalformen der Fig. 8A, 8B und 8C zu erzeugen.
Fig. 11A, 11B und 11C sind vergrößerte schematische Schnittansichten, die jeweils zu drei Zeitpunkten bei einem Tintentropfen mit großem Volumen genommen sind, der aus einer Öffnung in einer Weise entsprechend dieser Erfindung ausgestoßen wird.
Fig. 12A, 12B und 12C sind vergrößerte schematische Schnittansichten, die jeweils zu drei Zeitpunkten bei einem Tintentropfen mit mittleres Volumen genommen sind, der aus einer Öffnung in einer Weise entsprechend dieser Erfindung ausgestoßen wird.
Fig. 13A, 13B und 13C sind vergrößerte schematische Schnittansichten, die jeweils zu drei Zeitpunkten bei einem Tintentropfen mit kleinem Volumen genommen sind, der aus einer Öffnung in einer Weise entsprechend dieser Erfindung ausgestoßen wird.
Fig. 14 ist eine vergrößerte schematische Schnittansicht eines bevorzugten durch PZT angesteuerten Tintenstrahls, der zur Verwendung in einem Druckkopf mit einer Tintenstrahlmehrfachanordnung dieser Erfindung geeignet ist.
Fig. 15A und 15B sind Signalformdiagramme, die die Beziehungen zwischen der elektrischen Spannung und dem Zeitpunkt von PZT Ansteuersignalformen zeigen, die verwendet werden, zwei Tintentropfenvolumina (entsprechend den Operationsmodi null und eins) bei einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung zu erzeugen.
Fig. 16A und 16B zeigen in Kurvenform die spektrale Energie als eine Funktion der Frequenz der PTZ Ansteuersignalformen, die jeweils in Fig. 15A und 15B gezeigt sind.
Fig. 17 zeigt in Kurvenform die Übergangszeit, die bei Tintentropfen verlangt wird, um sich von einer Öffnung zu einem Bildempfangsmedium zu bewegen, wenn der Tintenstrahl der Fig. 14 durch die Signalformen der Fig. 15A und 15B über einen breiten Bereich von Tropfenausstoßraten hervorgerufen wird.
Fig. 1 zeigt ein Querschnittsansicht der Tintenstrahlvorrichtung 10, die Teil eines Tintenstrahlkopfes ist, der zur Verwendung mit dieser Erfindung geeignet ist. Die Tintenstrahlvorrichtung hat einen Körper, der eine Tintendurchgangsverzweigung 12 festlegt, durch die Tinte dem Tintenstrahlkopf zugeführt wird. Der Körper legt auch eine Öffnung 14 zur Bildung eines Tintentropfens zusammen mit einem Tintenströmungsweg von der Tintendurchgangsverzweigung 12 zu der Öffnung fest. Im Allgemeinen umfasst der Tintenstrahldruckkopf vorzugsweise eine Mehrfachanordnung von Öffnungen 14, die eng voneinander beabstandet sind, zur Verwendung beim Drucken von Tintentropfen auf ein Bildempfangsmedium (nicht gezeigt).
Ein typischer Tintenstrahldruckkopf hat zumindest vier Durchgangsverzweigungen, um schwarze, cyanfarbene, magentafarbene und gelbe Tinte zur Verwendung beim schwarzen plus subtraktiven Dreifarbendrucken zu erhalten. Jedoch kann die Anzahl solcher Durchgangsverzweigungen in Abhängigkeit davon geändert werden, ob ein Drucker ausgelegt ist, nur mit schwarzer Tinte oder mit weniger als einem vollen Farbbereich zu drucken. Die Tinte fließt von der Durchgangsverzweigung 12 durch eine Einlassöffnung 16, einen Einlasskanal 18, eine Druckkammeröffnung 20 in eine Tintendruckkammer 22. Die Tinte verlässt die Druckkammer 22 mittels einer Auslassöffnung 24, fließt durch einen Auslasskanal 28 zu der Düse 14, von der Tintentropfen ausgestoßen werden. Alternativ kann ein versetzter Kanal zwischen der Druckkammer 22 und der Öffnung 14 hinzugefügt werden, um bestimmten Tintenstrahlanwendungen zu dienen.
Die Tintendruckkammer 22 ist auf einer Seite durch eine flexible Membran 30 begrenzt. Ein elektromechanischer Wandler, wie ein PZT, ist an der Membranen 30 durch ein geeignetes Klebemittel befestigt und liegt über der Tintendruckkammer 22. In herkömmlicher Weise hat der Wandler 32 Metallschichten 34, mit denen ein elektrischer Wandlertreiber 36 elektrisch verbunden ist. Obgleich andere Formen von Wandlern versucht werden können, wird der Wandler 32 in seinem Biegemodus so betrieben, dass, wenn eine Spannung über die Metallschichten 34 angelegt wird, der Wandler 32 versucht, seine Abmessungen zu ändern. Da er aber an der Membran sicher und fest angebracht ist, biegt sich der Wandler 32, wodurch die Membran 30 verformt wird und dadurch Tinte in der Tintendruckkammer 22 verdrängt wird, wodurch der Tintenfluss nach außen durch die Auslassöffnung 24 und den Auslasskanal 28 zu der Düse 14 hervorgerufen wird. Die Auffüllung der Tintendruckkammer 22, die dem Ausstoß eines Tintentropfens folgt, wird durch eine umgekehrte Biegung des Wandlers 34 und die gleichlaufende Bewegung der Membran 30 verstärkt.
Um die Herstellung des Tintenstrahldruckkopfes zu erleichtern, der bei der vorliegenden Erfindung verwendbar ist, wird die Tintenstrahlvorrichtung 10 vorzugsweise durch mehrere laminierte Platten oder Flächenelemente gebildet, wie solche aus rostfreiem Stahl. Diese Flächenelemente sind in einer überlagerten Beziehung gestapelt. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfassen diese Flächenelemente oder Platten eine Membranplatte 40, die die Membran 30 und einen Teil der Durchgangsverzweigung 12 bilden, eine Tintendruckkammer 42, die die Tintendruckkammer 22 und einen Teil der Durchgangsverzweigung 12 begrenzt, eine Einlasskanalplatte 46, die den Einlasskanal 18 und eine Auslassöffnung 24 definiert, und eine Auslassplatte 54, die den Auslasskanal 28 festlegt, und eine Öffnungsplatte 56, die die Öffnung 14 der Tintenstrahlvorrichtung 10 festlegt.
Es können mehr oder weniger Platten als die dargestellten verwendet werden, um die verschiedenen Tintenflussdurchgänge, Verzweigungen und Druckkammern des Tintenstrahldruckkopfes festzulegen. Beispielsweise können mehrere Platten, eine Tintendruckkammer zu begrenzen, statt einer einzigen Platte verwendet werden, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Jedoch müssen nicht alle verschiedenen Merkmale als getrennte Flächenelemente oder Schichten aus Metall sein. Beispielsweise könnten die Muster in dem Fotoresist, die als Schablonen zum chemischen Ätzen des Metalls verwendet werden (wenn chemisches Ätzen bei der Herstellung verwendet wird), auf jeder Seite eines Metallflächenelements verschieden sein. Somit könnte als ein besonderes Beispiel das Muster für den Tinteneinlassdurchgang auf einer Seite des Metallflächenelements angeordnet sein, während das Muster für die Druckkammer auf der anderen Seite und in einer Vorne-Hinten-Ausrichtung angeordnet wird. Somit können bei sorgfältig gesteuertem Ätzen getrennte Schichten, die einen Tinteneinlassdurchgang und eine Druckkammer enthalten, zu einer einzigen Schicht kombiniert werden.
Um die Herstellungskosten zu minimieren, sind alle Metallschichten des Tintenstrahldruckkopfes mit Ausnahme der Öffnungsplatte 56 so ausgelegt, dass sie unter Verwendung relativ preisgünstiger, herkömmlicher Fotomuster- und Ätzverfahren bei normalem Metall leicht hergestellt werden können. Eine Bearbeitung oder andere Metallbearbeitungsverfahren werden nicht verlangt. Die Öffnungsplatte 56 ist erfolgreich unter Verwendung irgendeiner Anzahl von Verfahren hergestellt worden, die Galvanisieren in einem Schwefelnickelbad, mikroelektrische Entladungsbearbeitung in rostfreiem Stahl der 300 Reihe und Stanzen aus rostfreiem Stahl der 300 Reihe umfassen, wobei die letzten zwei Methoden gemeinsam mit einer Fotomustererzeugung und Ätzen aller Merkmale der Öffnungsplatte 56 mit Ausnahme der Öffnungen selbst verwendet werden. Eine andere geeignete Methode ist, die Öffnungen zu stanzen und ein übliches Stanzverfahren zu verwenden, um irgendwelche restlichen Merkmale in der Platte zu bilden.
Tabelle 1 zeigt annehmbare Abmessungen für die Tintenstrahlvorrichtung der Fig. 1. Die tatsächlich verwendeten Abmessungen sind eine Funktion des Tintenstrahls und seiner Packung bei einer bestimmten Anwendung. Beispielsweise kann sich der Öffnungsdurchmesser der Öffnung 14 in der Öffnungsplatte 56 von ungefähr 25 bis ungefähr 150 Mikron ändern. Tabelle 1 Alle Abmessungen in Millimeter
Der elektromechanische Wandlermechanismus, der für die Tintenstrahldruckköpfe der vorliegenden Erfindung ausgewählt wird, kann keramische Scheibenwandler, die mit Epoxy mit der Membranplatte 40 verbunden sind, umfassen, wobei die Scheibe über der Tintendruckkammer 22 zentriert ist. Bei dieser Art Wandlermechanismus hat eine im Wesentlichen Kreisform den größten elektromechanischen Wirkungsgrad, der sich auf die Volumenverdrängung bei einer gegebenen Fläche des piezokeramischen Elements bezieht.
Das Ausstoßen von Tintentropfen mit einem steuerbaren Volumen aus einer Tintenstrahlvorrichtung, wie der der Fig. 1, bringt mit sich, dass von dem Wandlertreiber 36 mehrere auswählbare Ansteuersignalformen zu dem Wandler 32 geliefert werden. Der Wandler 32 spricht auf die ausgewählte Signalform an, indem Druckwellen in der Tinte hervorgerufen werden, die Tintenfluidströmungsresonanzen in der Öffnung 14 und einen Tintenoberflächemeniskus anregen. Ein unterschiedlicher Resonanzmodus wird von jeder gewählten Signalform angeregt und ein unterschiedliches Tropfenvolumen wird in Antwort auf jeden Resonanzmodus ausgestoßen.
Bezugnehmend auf die Fig. 2A, 2B und 2C ist eine Tintensäule 60 mit einem Meniskus 62 in der Öffnung 14 angeordnet gezeigt. Der Meniskus 62 ist in drei Betriebsmoden erregt gezeigt, die jeweils als Modus null, eins und zwei in den Fig. 2A, 2B und 2C bezeichnet sind. Fig. 2C zeigt eine mittige Auslenkung Ce Meniskusoberfläche bei einem Schwingungsmodus hoher Ordnung. Bei der folgenden theoretischen Beschreibung wird von der Öffnung 14 angenommen, dass sie zylindrisch ist, obgleich die erfindungsgemäßen Grundsätze in gleicher Weise auf nichtzylindrische Öffnungsformen anwendbar sind.
Der bestimmte erregte Modus in der Öffnung 14 wird durch eine Kombination aus dem inneren Fluss in der Öffnung und der Meniskusoberflächendynamik beherrscht. Weil die Öffnung 14 zylindrisch ist, wirken die innere und die Meniskusoberflächendynamik zusammen, so dass der Meniskus 62 in Moden schwingt, die durch Lösungen von Bessel- Funktionen der herrschenden Fluiddynamikgleichungen beschrieben sind.
Fig. 2A zeigt den Betriebsmodus null, der einer Massenverdrängung der Tintensäule 60 nach vorne innerhalb einer Wand 64 der Öffnung 14 entspricht. Frühere Arbeiter haben der Konstruktion der Tintenstrahlvorrichtung und der Ansteuersignalform einen Betrieb im Modus null zugrunde gelegt. Die Tintenoberflächenspannung und die Wirkungen der viskosen Grenzschicht, die mit der Wand 64 verbunden sind, bewirken, dass der Meniskus 62 eine charakteristische, abgerundete Form aufweist, die einen Mangel an Moden höherer Ordnung angibt. Die natürliche Resonanzfrequenz des Modus null wird hauptsächlich durch die Massenbewegung der Tintenmasse bestimmt, die mit der Kompression Tinte innerhalb der Tintenstrahlvorrichtung wechselwirkt (d. h. wie ein Helmholtz- Oszillator). Die geometrischen Abmessungen der verschiedenen fluidmäßig gekoppelten Tintenstrahlkomponenten, wie der Kanäle 18 und 28, der Verzweigung 12, der Öffnungen 16, 20, 22 und 24 und der Druckkammer 22, die alle in Fig. 1 bezeichnet sind, sind so bemessen, dass äußere oder störende Resonanzfrequenzen vermieden werden, die mit den Resonanzmoden der Öffnung wechselwirken würden.
Die Auslegung von Ansteuersignalformen, die zur Tropfenvolumenmodulation geeignet sind, verlangt deshalb weitere Kenntnis der natürlichen Frequenzen der Öffnung und der Meniskussystemelemente, so dass eine Signalform konstruiert werden kann, die die Energie der Frequenzen nahe der natürlichen Frequenz eines erwünschten Modus konzentriert und die Energie bei der natürlichen Frequenz anderer Moden und äußere oder störende Resonanzfrequenzen unterdrückt, die mit dem erwünschten Modus für die Energie konkurrieren. Diese äußeren oder störenden Resonanzfrequenzen beeinflussen den Ausstoß der Tintentröpfchen aus der Tintenstrahlöffnung in verschiedener Weise nachteilig, einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, die Tintentropfengröße und die Tropfenausstoßgeschwindigkeit, die die Zeit beeinflusst, die benötigt wird, dass der ausgestoßene Tropfen das Bildempfangsmedium erreicht, wodurch auch die Genauigkeit der Tropfenanordnung auf den Medien beeinflusst wird.
Die Tintenmeniskusoberflächendynamik wird durch einen Fluiddruckströmungsanalyse in einer repräsentativen Öffnung nachgebildet. Unten sind die Gleichungen gezeigt, die die Fluiddynamik und die Grenzbedingungen beherrschen. Beherrschende Gleichungen: Mittellinien-Randbedingung: Außenwand-Randbedingung:

Boden-Randbedingung:

φIz=o = 0 Freie Oberflächen-Randbedingung:
Eine Lösung wird erhalten, indem die Laplace-Transformation nach der Zeit genommen wird und die Variablen in zwei Raumdimensionen z und r getrennt werden, wobei z ein axialer Abstand und r ein radialer Abstand innerhalb der Öffnung 14 ist. Die Lösung in radialer Richtung ist eine Bessel-Funktion der ersten Art:
φ = [B&sub1;sinh[knz] + B&sub2;cosh[knz]]Jo[knr]
Die Anpassung an die Randbedingungen bestimmt die zulässigen modalen Schwingungsfrequenzen:
Mit: k&sub1; = 3,832, k&sub2; = 7,016, k&sub3; = 10,174, h = 0,1 bis 2,0 in Schritten von 0,2, σ = 25, ρ = 0,85 und R = 0,0038 Zentimeter.
Fig. 3 zeigt in Kurvenform die berechneten Frequenzen im Modus 1, 2 und 3 für eine typische Tintenstrahlgeometrie als Funktion eines Öffnungsverhältnisses. Bei den meisten Öffnungsverhältnissen sind die Frequenzen der Moden 1, 2 und 3 ungefähr 30, 65 bzw. 120 Kilohertz. Der Modus 3 ist in Fig. 2 nicht gezeigt.
Fig. 4 zeigt als Kurvendarstellung eine berechnete radiale Modusform, die den in Fig. 3 gezeigten Moden 1, 2 und 3 entspricht. Die Daten wurden unter Verwendung der Gleichungen berechnet: R&sub1;(r) = J&sub0;(k&sub1;r), R&sub2;(r) = J&sub0;(k2r) und R&sub3;(r) = J&sub0;(k&sub3;r), worin J&sub0; eine Bessel-Funktion der ersten Art und der nullten Ordnung ist.
Die vorstehende Analyse zeigt die grundlegenden Oberflächenmoden, wobei viskose Verhaltenswirkungen in der Öffnung vernachlässigt wurden. Wenn eine viskose Strömung in der Öffnung betrachtet wird, ist eine vereinfachte beherrschende Gleichung für die Modusform:
Nimmt man eine periodische Ansteuerdruckwelle mit einer Frequenz ω = 2πf an, wird die radiale Modusform R bestimmt, indem die folgende komplexe Bessel Differentialgleichung berechnet wird:
Die Fig. 5A-5F zeigen als Kurvendarstellung die sich ergebenden Real- und Imaginärteile der Modusform bei verschiedenen Frequenzen. Das Folgende sind mehrere Phänomene, die bemerkenswert sind: 1) Phasenverschiebung der ersten Frequenzkurve zwischen 1 und 20 Kilohertz, 2) Überschwingen des Realteils der Frequenzkurve oberhalb von 20 Kilohertz und 3) Mittenmoden bei dem Real- und dem Imaginärteil der Frequenzkurve oberhalb von 35 Kilohertz.
Die getrennten Analysen der internen und der Oberflächendynamik zeigen die Öffnungsströmungsmoden, die verwendet werden, eine Tintentropfenvolumenmodulation zu schaffen. Fig. 6 und 7 sind Navier-Stokes Simulationsaufzeichnungen, wobei die FLOW2D Fluiddynamik-Computersoftware verwendet wurde, die von Flow Science, Inc., Los Alamos, New Mexico, hergestellt wird. Die Fig. 6 und 7 zeigen die Öffnungsströmung und die Tropfenbildung, die in Antwort auf die Wandleransteuersignalformen auftreten, die die entsprechenden Moden null und zwei erregen. Fig. 6B zeigt, dass die Erregung in dem Modus null eine Tintenausstoßsäule 90 mit einem Durchmesser erzeugt, der beträchtlich größer als bei einer Tintenausstoßsäule 92 im Modus zwei ist, die in Fig. 7A und 7B gezeigt ist. Fig. 6B zeigt die Bildung eines großen Tintentropfens 64, der ungefähr den gleichen Durchmesser wie den der Öffnung 14 hat. Fig. 7B zeigt einen ausgewölbten Meniskus 96, der eine restliche Energie im Modus null mit einer Größe angibt, die unzureichend ist, einen großen Tropfen aus der Öffnung 14 auszustoßen.
Die vorstehende Theorie wurde in der Praxis auf eine Tintenstrahlvorrichtung der Fig. 1 angewendet. Die Fig. 8A, 8B und 8C zeigen entsprechende typische elektrische Signalformen, die von dem Wandlertreiber 36 (Fig. 1) erzeugt wurden, die die Energie in dem Frequenzbereich bei den jeweils unterschiedlichen Moden konzentrieren, während Energie in anderen konkurrierenden Moden unterdrückt wird.
Fig. 8A zeigt eine bipolare Signalform 100, die für den Erregungsmodus null geeignet ist. Die Signalform 100 hat eine Komponente 102 von plus 25 Volt und sieben Mikrosekunden und eine Impulskomponente 104 von minus 25 Volt und sieben Mikrosekunden, die durch eine Warteperiode 106 von acht Mikrosekunden getrennt sind. Alle Anstiegs- und Abfallzeiten der Impulskomponenten 102 und 104 betragen drei Mikrosekunden. Die Signalform 100 bewirkt den Ausstoß aus der Öffnung 14 eines Tintentropfens der im Modus null erzeugt ist.
Fig. 8B zeigt eine Doppelimpulssignalform 110, die zum Erregen im Modus eins geeignet ist. Die Wellenform 110 hat ein Paar Impulskomponenten 112 und 114 von plus 40 Volt und zehn Mikrosekunden, die durch eine Warteperiode 116 von acht Mikrosekunden getrennt sind. Alle Anstiegs- und Abfallzeiten der Impulskomponenten 112 und 114 sind vier Mikrosekunden. Die Wellenform 110 bewirkt den Ausstoß eines im Modus eins erzeugten Tintentropfens aus der Öffnung 14, der ein Drittel des Volumens des Tintentropfens des Modus null aufweist. Der Tintentropfen im Modus eins druckt auf einem Bildempfangsmedium einen Fleck, der einen Durchmesser von ungefähr 60 Prozent desjenigen von einem im Modus null gedruckten Fleck aufweist.
Fig. 8C zeigt eine Dreifachimpulssignalform 320, die zur Erregung im Modus zwei geeignet ist. Die Signalform 160 hat drei Impulskomponenten 122, 124 und 126 mit plus 45 Volt und fünf Mikrosekunden, die durch Warteperioden 128 und 130 von sechs Mikrosekunden getrennt sind. Alle Anstiegs- und Abfallzeiten der Impulskomponenten 122, 124 und 126 sind vier Mikrosekunden. Die Signalform 120 bewirkt den Ausstoß eines im Modus zwei erzeugten Tintentropfens aus der Öffnung 14, der ein Sechstel des Volumens eines Tintentropfens im Modus null aufweist. Der Tintentropfen im Modus zwei druckt auf das Bildempfangsmedium einen Fleck, der einen Durchmesser von ungefähr 40 Prozent des im Modus null gedruckten Flecks aufweist.
Die Fig. 9A, 9B und 9C zeigen die zeitliche Spektralenergieverteilung der entsprechenden Signalformen 100, 110 und 120. Insbesondere zeigt Fig. 9A eine Signalform 100, bei der die Energie gerade oberhalb von 18 Kilohertz konzentriert ist, der Frequenz, die verlangt wird, einen Modus null zu erregen. Fig. 9B zeigt eine Signalform 110, bei der die Energie nahe 32 kHz konzentriert ist, der Frequenz, die verlangt wird, im Modus eins zu erregen. Jedoch wird die Energie der Signalform 110 bei ungefähr 18 Kilohertz minimiert, um eine Erregung im Modus null zu unterdrücken. Fig. 9C zeigt eine Signalform 120, bei der die Energie nahe 50 Kilohertz konzentriert ist, der Frequenz, die verlangt wird, im Modus zwei zu erregen. Jedoch ist die Energie der Wellenform 120 bei ungefähr 18 und ungefähr 35 Kilohertz minimiert, um die Erregung in den Moden null und eins zu unterdrücken.
Fig. 10 zeigt schematisch eine Vorrichtung, die für den Wandlertreiber 36 (Fig. 1) repräsentativ ist, der zur Erzeugung der Signalform 100, 110 und 120 der Fig. 8 geeignet ist. Irgendein geeigneter im Handel erhältlich Signalformgenerator kann verwendet werden. Ein Signalformgenerator 150 ist elektrisch mit einem Spannungsverstärker 152 verbunden, der ein Ausgangssignal liefert, das zum Ansteuern der Metallschichten 34 des Wandlers 32 geeignet ist.
Die Fig. 11A, 11B und 11C zeigen den Zeitablauf der Entwicklung eines Tintentropfens 170 im Modus null von der Öffnung 14 der Tintenstrahlvorrichtung 10, der durch Fotografieren eines tatsächlichen Tropfens als Videostehbild erhalten wurde. Fig. 11A zeigt den Masselluss 172 im Modus null, der einen durch die Öffnung 14 festgelegten Durchmesser aufweist und aus der Öffnung 14 austritt, um die Erzeugung des Tropfens 170 zu beginnen. Fig. 11 B zeigt die Masseströmung, die in die Öffnung 14 zurückgezogen wird, wenn sich ein Schwanz 174 entwickelt. Fig. 11 C zeigt einen großen Tropfen 170, der nahezu entwickelt ist, und einen Schwanz 174, der beginnt, von der Öffnung 14 abzureißen. Die tatsächliche Tropfenentwicklung im Modus null und der simulierten Tropfenentwicklung wie im Modus null sehr nahe, die in den Fig. 6A, 6B gezeigt ist.
Fig. 12A, 12B und 12C zeigen einen Zeitverlauf der Entwicklung eines Tintentropfens 180 im Modus eins von der Öffnung 14 der Tintenstrahlvorrichtung 10, die durch Fotografieren eines tatsächlichen Tropfens als Videostehbild erhalten wurde. Fig. 12A zeigt die Strömung 182 im Modus eins mit einem kleineren Durchmesser als dem der Öffnung 14, die aus der Öffnung 14 austritt, um mit der Erzeugung des Tropfens 180 der Fig. 12C zu beginnen. Fig. 12B zeigt eine Ausbauchung 184 über den Öffnungsdurchmesser, die aus der Öffnung 14 vortritt, wenn sich ein Schwanz 186 entwickelt. Die Ausbauchung 184 gibt das Vorhandensein einer restlichen Energie im Modus null an. Fig. 12C zeigt einen Tropfen 180 im Modus eins, der nahezu entwickelt ist, und einen Schwanz 186, der beginnt, von der Ausbauchung 184 abzureißen. Wie es unter Bezugnahme auf Fig. 7 beschrieben ist, gibt es eine unzureichende Energie für die Ausbauchung 184, einen großen Tropfen zu bilden.
Fig. 13A, 13B und 13C zeigen einen Zeitverlauf der Entwicklung eines Tintentropfens 190 im Modus zwei der Fig. 13C von einer Öffnung 14 der Tintenstrahlvorrichtung 10, die durch Fotografieren eines tatsächlichen Tropfens als Videostehbild erhalten wurde.
Fig. 13A zeigt den Fluss 192 in Modus zwei mit einem kleineren Durchmesser als die Öffnung 14, der aus der Öffnung 14 austritt, und beginnt, einen Tropfen 190 zu erzeugen. Der Fluss 192 im Modus zwei hat einen kleineren Durchmesser als der Fluss 182 im Modus eins, was die Gegenwart einer Anregungsenergie in einem Modus höherer Ordnung angibt. Fig. 13B zeigt die Ausbauchung 184 mit Öffnungsdurchmesser, die wiederum aus der Öffnung 14 austritt, wenn sich ein Schwanz 194 entwickelt. Wiederum zeigt die Gegenwart einer Ausbauchung 184 das Vorhandensein von restlicher Energie im Nullmodus an. Fig. 13C zeigt einen Tropfen 190 im Modus zwei, der nahezu entwickelt ist, und einen Schwanz 194, der damit beginnt, von der Ausbauchung 184 abzureißen. In ähnlicher Weise zu der Tropfenbildung im Modus 1, gibt es keine ausreichende Energie für eine Ausbauchung 184, einen großen Tropfen zu bilden. Die tatsächliche Entwicklung des Tropfens im Modus 2 kommt der simulierten Tropfenentwicklung im Modus 2 sehr nahe, die in den Fig. 7A und 7B gezeigt ist.
Tabelle 2 zeigt Versuchsdaten, die das Tropfenvolumen, die gedruckte Fleckgröße, die Übergangszeit (die Zeit bis zu einem Bildempfangsmedium, das ungefähr 0,81 Millimeter von der Öffnung 14 entfernt ist) und die Tropfenausstoßgeschwindigkeit. Tabelle 2
Die Übergangszeit für die unterschiedlichen Tropfengrößen ist im Wesentlichen die gleiche, was die Fähigkeit zeigt, Tropfen mit unterschiedlichen Größen zu erzeugen, die eine ausreichende kinetische Anfangsenergie haben, um äquivalente Geschwindigkeiten zu erzeugen. Die Tropfengeschwindigkeiten sind ausreichend, eine Tropfenauftreifgenauigkeit und eine Fleckbildung hoher Qualität zu gewährleisten.
Ein unerwartetes Ergebnis, das beim Sammeln der Versuchsdaten beobachtet wurde, war die relative Unabhängigkeit des Tropfenvolumens und der Tropfenausstoßgeschwindigkeit. Eine Änderung der Amplitude der Ansteuersignalformen 100, 110 und 120 um ihre bevorzugten Amplituden herum, änderte die Tropfenausstoßgeschwindigkeit, ohne das Tropfenvolumen zu ändern. Dieses Ergebnis liefert ein Maß für die Einstellung, das zweckmäßig ist, um die Ausstoßgeschwindigkeiten der unterschiedlichen Tropfenvolumina anzupassen. Es zeigt auch die vorherrschende Rolle der Modusform bei der Bestimmung des Tropfenvolumens.
Die in Tabelle 2 gezeigten Daten wurden unter Verwendung der Tintenstrahlvorrichtung 10 der Fig. 1 gesammelt, die bei einer Tropfenwiederholungsrate von 2 Kilohertz betrieben wurde. Die Tintenstrahlvorrichtung 10 ist ein einzelner repräsentativer Strahl, wie er in einem Druckkopf mit einer Farbtintenstrahlmehrfachanordnung verwendet wird. Die Tintenstrahlvorrichtung 10 hat Abmessungen, die in Tabelle 1 gezeigt sind, ist aber nur für einen mit einem PZT angesteuerten Tintenstrahldruckkopf repräsentativ, der zur Verwendung mit der Erfindung geeignet ist.
Eine Tropfenwiederholungsrate, die fünfzehn Kilohertz überschreitet, ist unter Verwendung einer bevorzugten Tintenstrahlkonstruktion möglich, die in Fig. 14 gezeigt ist und optimiert ist, innere Resonanzfrequenzen auszuschließen, die nahe den Frequenzen sind, die verlangt werden, die Resonanzmoden der Öffnungen zu erregen, die zur Tropfenvolumenmodulation verlangt werden.
Fig. 14 zeigt eine Schnittansicht einer bevorzugten Tintenstrahlvorrichtung 200, die Teil eines Tintenstrahldruckkopfes ist, der zur Verwendung mit dieser Erfindung geeignet ist. Die Tintenstrahlvorrichtung 200 hat einen Körper, der eine Tinteneinlassöffnung 202, einen Tintenzuführkanal 204 und eine Tintenverzweigung 206 definiert, durch die der Tintenstrahlvorrichtung 200 Tinte zugeführt wird. Der Körper begrenzt auch eine Tintentropfenbildungsöffnung 208, von der ein grautonmodulierter Tintentropfen 210 über eine Strecke 212 zu einem Bildempfangsmedium 214 ausgestoßen wird. Im Allgemeinen umfasst ein bevorzugter Tintenstrahldruckkopf eine Mehrfachanordnung von Tintenstrahlvorrichtungen 200, die eng voneinander beabstandet sind, damit sie zum Ausstoßen von Mustern von grauwertmodulierten Tintentropfen 210 zu dem Bildempfangsmedium 214 verwendet werden können. Der Druckkopf hat auch zumindest vier der Verzweigungen 206, um schwarze, cyanfarbene, magentafarbene und gelbe Tinte zur Verwendung beim subtraktiven Dreifarbendrucken plus schwarz.
Die Tinte fließt von der Verzweigung 206 durch eine Einlassöffnung 216, einen Einlasskanal 218 und eine Druckkammeröffnung 220 in eine Tintendruckkammer 222. Die Tinte verlässt die Druckkammer 222 mittels einer Auslassöffnung 224 und fließt durch einen Auslasskanal 228 mit einem ovalen Querschnitt zu einer Öffnung 208, von der Tintentropfen 210 ausgestoßen werden.
Die Tintendruckkammer 222 ist auf einer Seite durch eine flexible Membran 230 begrenzt. Ein PZT Wandler 232 ist an der Membran 230 durch ein geeignetes Klebemittel befestigt und liegt über der Tintendruckkammer 222. Wie bei der Tintenstrahlvorrichtung 210 hat der Wandler 232 Metallschichten 234, mit denen ein elektronischer Wandlertreiber 36 elektrisch verbunden ist. Der PZT Wandler 232 wird vorzugsweise im Biegemodus betrieben.
Um die Herstellung des bevorzugten Tintenstrahldruckkopfes zu erleichtern, wird die Tintenstrahlvorrichtung 200 aus mehreren laminierten Platten oder Flächenelementen gebildet, wie aus rostfreiem Stahl, die in einer überlagerten Beziehung gestapelt sind. Alle Plattensind 0,2 Millimeter dick, wenn nichts anderes angegeben ist.
In dem in Fig. 14 dargestellten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfassen die Platten eine 0,076 Millimeter dicke Membranplatte 236, die eine Membran 230 und einen Teil der Tintenstrahlöffnung 202 bildet; eine Körperplatte 238, die die Druckkammer 222 und einen Teil der Tinteneinlassöffnung 202 bildet und eine steife Stütze für die Membranplatte 236 liefert; eine Trennplatte 240, die die Druckkammeröffnung 220 und Abschnitte der Tinteneinlassöffnung 202 und der Auslassöffnung 224 bildet; eine 0,1 Millimeter dicke Einlasskanalplatte 242, die den Einlasskanal 218 und Abschnitte der Tinteneinlassöffnung 202 und der Auslassöffnung 224 bildet; eine Trennplatte 244, die eine Einlassöffnung 216 und Abschnitte der Tinteneinlassöffnung 202 und der Auslassöffnung 224 bildet; sechs Verzweigungsplatten 246, die die Verzweigung 206, den Tintenzuführkanal 204, einen Hauptteil des Auslasskanals 228 und den restlichen Teil der Tinteneinlassöffnung 202 bilden; eine 0,05 Millimeter dicke Wandplatte 248, die eine Compliance-Wand 250 für die Tintenverzweigung 206 und einen kleineren Teil des Auslasskanals 228 bildet, eine Öffnungsversteifungsplatte 252, die einen Übergangsbereich 254 zwischen dem Auslasskanal 228 und der Öffnung 208 und eine Luftkammer 256 hinter der Compliance-Wand 250 bildet und eine 0,064 Millimeter dicke Öffnungsplatte 258, die die Öffnung 208 bildet.
Die Tabelle 3 zeigt bevorzugte Abmessungen der inneren Merkmale der Tintenstrahlvorrichtung 200, die zusammen einen Tintenstrahl 200 mit einer Helmholz-Resonanzfrequenz von ungefähr 24 Kilohertz bilden. Tabelle 3
Unter weiterer Bezugnahme auf Fig. 14, zeigen die Fig. 15A, 15B entsprechend bevorzugte elektrische Signalformen, die durch den Wandlertreiber 36 erzeugt werden und die Energie in dem Frequenzbereich von jedem der Moden null und eins konzentrieren, während Energie in anderen konkurrierenden Moden unterdrückt wird.
Fig. 15A zeigt eine bipolare Signalform 360, die für die Erregung im Modus null geeignet ist. Die Signalform 360 hat eine Impulskomponente 362 von plus 33 Volt und 16 Mikrosekunden und eine Impulskomponente 364 von negativ 10 Volt und 60 Mikrosekunden, die durch eine Warteperiode 366 von 1 Mikrosekunden getrennt sind. Die Anstiegs- und Abfallzeit der Impulskomponenten 362 und 364 sind alle ungefähr 3 bis 4 Mikrosekunden. Die Signalform 360 bewirkt das Ausstoßen eines im Modus null erzeugten Tintentropfens von 105 Nanogramm aus der Öffnung 208.
Fig. 15B zeigt eine bipolare Signalform 370, die für die Erregung im Modus eins geeignet ist. Die Signalform 370 hat eine Impulskomponente 372 von plus 35 Volt und 8 Mikrosekunden und eine Impulskomponente 374 von plus 10 Volt und 9 Mikrosekunden, die durch eine Warteperiode 376 von 5 Mikrosekunden getrennt sind. Die Anstiegs- und Abfallzeit der Impulskomponenten 372 und 374 sind alle ungefähr 3 bis 4 Mikrosekunden. Die Signalform 370 bewirkt das Ausstoßen eines im Modus null erzeugten Tintentropfens von 65 Nanogramm aus der Öffnung 208. Der Tintentropfen im Modus eins druckt auf ein Bildempfangsmedium einen Fleck mit einem Durchmesser von ungefähr 60 Prozent eines im Modus null gedruckten Flecks.
Fig. 16A und 16B zeigen die zeitliche Spektralenergieverteilung der entsprechenden Signalformen 360 und 370. Insbesondere zeigt Fig. 16A, dass bei der Signalform 36ß die Energie gerade unterhalb von 20 Kilohertz konzentriert ist, der zur Erregung im Modus null erforderlichen Frequenz. Im Gegensatz dazu zeigt Fig. 16B, dass bei der Signalform 370 die Energie nahe 30 Kilohertz konzentriert ist, der zur Erregung im Modus 1 erforderlichen Frequenz, und bei ungefähr 20 Kilohertz minimiert ist, um die Erregung im Modus null zu unterdrücken.
Fig. 17 zeigt die Übergangszeiten von Tintentropfen im Modus null (105 Nanogramm) und Modus 1 (65 Nanogramm), die von der Öffnung 208 zu dem Bildempfangsmedium 214 ausgestoßen werden, wenn der PZT Wandler 232 des Tintenstrahls 200 wiederholt über einen breiten Wiederholungsbereich durch die Signalformen 360 und 370 angesteuert wird. Die Übergangszeiten sind ausreichend über den gesamten Wiederholungsbereich von ungefähr zehn Kilohertz bis ungefähr 18 Kilohertz angepasst, um eine Tropfenauftreffgenauigkeit zu schaffen, die Grautondrucken mit hoher Qualität oder alternatives Drucken mit wahlweiser Auflösung unterstützt.
Drucken mit wahlweiser Auflösung ist ein Betriebsmodus dieser Erfindung, bei dem, statt das Bildempfangsmedium 214 mit grautonmodulierten Tintentropfen zu bedrucken, eine einzelne Tropfengröße ausgewählt wird und die Abtastgeschwindigkeit des Tintenstrahls 200 in Bezug auf das Bildempfangsmedium 214 so geändert wird, dass der Abstand von Fleck zu Fleck gedruckter Flecken entsprechend geändert wird, um an die geänderte Tropfengröße anzupassen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform mit umschaltbarer Auflösung stößt die Tintenstrahlvorrichtung 200 Tropfen (105 Nanogramm) im Modus null aus, während sie sich bei einer ersten Abtastgeschwindigkeit so bewegt, dass gedruckte Bilder mit einer Standardauflösung von 12 Flecken pro Millimeter (300 Flecken pro inch) gebildet werden, und Tropfen (65 Nanogramm) im Modus 1 ausstößt, während sie sich bei einer zweiten Abtastgeschwindigkeit so bewegt, dass gedruckte Bilder mit hoher Auflösung von 24 Flecken pro Millimeter (600 Flecken pro Inch) gebildet werden. Natürlich kann die Tintenstrahlvorrichtung 200 sogar kleinere Tintentropfen in einem höheren Modus ausstoßen, und ist fähig, noch andere Druckauflösungen bereitzustellen.
Andere alternative Ausführungen von Abschnitten dieser Erfindung umfassen beispielsweise ihre Anwendbarkeit, verschiedene Fluidarten strahlenmäßig auszustoßen, einschließlich, aber nicht beschränkend auf, wässrige und Phasenänderungstinten verschiedener Farben.
Ebenso erkennt der Durchschnittsfachmann, dass die Erfindung zweckmäßig ist, höhere Moden als die Moden eins, zwei und drei zu erregen, die hier beschrieben sind, und nicht darauf beschränkt ist, diese Moden in einer zylindrischen Öffnung zu erregen.
Der Durchschnittsfachmann erkennt, dass andere Signalformen als die Signalformen 100, 110, 120, 360 und 370 die erwünschten Ergebnisse erreichen können, und dass ein Spektralanalysator verwendet werden kann, ein sich ergebendes Energiespektrum zu betrachten, während eine Signalform geformt wird, die in einem bestimmten Öffnungsresonanzmodus bei einer erwünschten Öffnungsgeometrie, Fluidtpy und Wandlertyp erregen soll.
Man beachte, dass die Erfindung bei einer Kombination mit verschiedenen Techniken nach dem Stand der Technik zweckmäßig ist, einschließlich Schwankungserzeugung und Tropfenbeschleunigung durch ein elektrisches Feld, um eine verbesserte Bildqualität und Tropfenauftreffgenauigkeit zu schaffen.
Zusammengefasst kann die Erfindung bei irgendeinem Fluidstrahlantriebsmechanismus und einer Architektur angewendet werden, die die verlangte Ansteuersignalformenergieverteilung zu einer geeigneten Öffnung und ihrer Fluidmeniskusoberfläche bereitstellt.
Für den Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet liegt es auf der Hand, dass viele Änderungen an Einzelheiten der oben beschriebenen Ausführungsformen dieser Erfindung vorgenommen werden können, ohne von dem darunter liegenden Grundideen abzuweichen. Beispielsweise können andere elektromechanische Wandler als der beschriebene PZT Typ im Biegemodus verwendet werden. Wandler im Scherungsmodus und ringförmiges Zusammenziehen, elektrostriktive, elektromagnetische und magnetostriktive Wandler sind geeignete Alternativen. Ähnlich könnte, obgleich im Hinblick auf elektrische Energiesignalform zur Ansteuerung der Wandler beschrieben, irgendwelche andere geeignete Energieformen verwendet werden, den Wandler zu betätigen, wie, aber nicht beschränkt darauf, akustische oder Mikrowellenenergie. Wo elektrische Signalformen verwendet werden, können die Signalformen ebenso gut durch unipolare oder nichtpolare Paare oder Gruppen von Impulsen erzeugt werden. Entsprechend erkennt man, dass diese Erfindung deshalb auf Anwendungen mit Fluidtropfengrößenmodulation anwendbar ist, die von denjenigen in Tintenstrahldrucken gefundenen verschieden sind.

Claims

1. Tintenstrahldruckvorrichtung (10), wobei eine Druckkammer (22) in Fluidverbindung mit einer Öffnung (14) steht, in der sich bei Gebrauch ein Meniskus einer Tinte ausbildet, wobei die Öffnung (14) und ein Bildempfangsmedium während des Druckbetriebs sich mit wählbaren Abtastgeschwindigkeiten relativ zueinander bewegen, wobei die Öffnung (14) in einem derartigen Betrieb Tintenpunkte mit einem ersten Durchmesser mittels der Öffnung (14) mit einer ersten Auflösung auf dem Bildempfangsmedium abscheidet und sich das Bildempfangsmedium mit einer ersten Abtastgeschwindigkeit relativ dazu bewegt und wobei durch Auswerten aus der Öffnung (14) von Tintentropfen mit jeweils einem ersten Volumen eine Tintentropfenausgabe durch Betrieb eines Wandlers (32), der von einem Wandlertreiber (36) angesteuert und mit der Druckkammer (22) verbunden ist, bewirkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandlertreiber (36) ausgebildet ist, um im Betrieb selektiv zumindest eine erste und eine zweite wählbare Energiezufuhr zu erzeugen, die den mit der Druckkammer (22) gekoppelten Wandler (32) der Vorrichtung betätigt, um in dem Meniskus jeweils erste und zweite Modenformen anzuregen, die ein Auswerfen aus der Öffnung (14) von Tintentropfen mit jeweils dem ersten Volumen und einem zweiten Volumen bewirken, wobei im Betrieb die erste Energiezufuhr in Verbindung mit der ersten Abtastgeschwindigkeit gewählt ist und eine erste spektrale Energieverteilung aufweist, die den Meniskus in einer ersten Modenform anregt, um aus der Öffnung (14) Tintentropfen mit dem ersten Volumen auszuwerfen, und wobei im Betrieb die wandlertreiber-wählbare zweite Energiezufuhr in Verbindung mit einer zweiten Abtastgeschwindigkeit ausgewählt ist, wobei die zweite Energiezufuhr eine zweite spektrale Energieverteilung aufweist, die den Meniskus in einer zweiten Modenform anregt, um aus der Öffnung (14) Tintentropfen mit einem zweiten Volumen, das kleiner als das erste Volumen ist, auszuwerfen, wobei die zweite Energiezufuhr und die zweite Abtastgeschwindigkeit zusammenwirken, um Tintenpunkte mit einem zweiten Durchmesser auf dem Bildempfangsmedium mit einer zweiten Auflösung abzuscheiden.

2. Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Modenform eine Modenform einer Null-Mode ist.

3. Eine Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Modenform eine Modenform einer Eins-Mode, einer Zwei-Mode oder einer Drei-Mode ist.

4. Eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei bei der ersten Auflösung Punkte auf dem Bildempfangsmedium mit ungefähr einer 12-Punkte pro-Millimeter-Auflösung abgeschieden werden.

5. Eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei der zweiten Auflösung Punkte auf dem Bildempfangsmedium mit ungefähr einer 24- Punkte pro-Millimeter-Auflösung abgeschieden werden.

6. Eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Energiezufuhr eine erste elektrische Signalform und die zweite Energiezufuhr eine zweite elektrische Signalform sind.

7. Eine Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die zweite Modenform eine Modenform einer Eins-Mode, einer Zwei-Mode oder einer Drei-Mode ist und die zweite elektrische Signalform eine unipolare Impulsgruppe oder bipolare Impulsgruppe einschließt.

8. Eine Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei die erste Modenform eine Modenform einer Null-Mode ist und die erste elektrische Signalform ein unipolares Pulspaar, das durch eine Wartezeit getrennt ist, oder ein bipolares Pulspaar, das durch eine Wartezeit getrennt ist, einschließt.

9. Eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wandlertreiber (36) in repetitiver Weise ausgestaltet ist, um eine ausgewählte der ersten oder zweiten Energiezufuhren mit einer Rate so zu erzeugen, dass die ausgewählten ersten und zweiten Tintentropfenvolumen aus der Öffnung (14) mit einer Tropfenauswurfrate im Bereich von Null bis zumindest ungefähr 20000 Tintentropfen pro Sekunde ausgegeben werden.

10. Eine Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die ersten und zweiten Energiezufuhren jeweils eine einstellbare Amplitude aufweisen, die bewirkt, dass ausgewählte erste und zweite Tintentropfenvolumen im Wesentlichen eine gleiche Tropfenübergangszeit von der Öffnung (14) zu dem Bildempfangsmedium über einen Tropfenauswurfratenbereich von Null bis zumindest ungefähr 18000 Tintentropfen pro Sekunde aufweisen.

11. Eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten und zweiten Energiezufuhren jeweils spektrale Energieverteilungen aufweisen, die um eine gewünschte Öffnungsresonanzfrequenz konzentriert sind und an einer ungewünschten Öffnungsresonanzfrequenz unterdrückt sind.

12. Eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wandler (32) ein piezoelektrischer Wandler ist.

13. Eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Tintensammelleitung und wobei die Tintensammelleitung (12), die Druckkammer (22) und die Tintenstrahlöffnung (14) durch Kanäle (18, 28), die so bemessen sind, um eine parasitäre Resonanz an einer Modenformanregungsfrequenz für die Öffnung zu vermeiden, in Fluidverbindung stehen.

14. Eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die als ein Tintenstrahldruckkopf ausgebildet ist.

15. Verfahren zum Betreiben eines Tintenstrahldruckers (10) mit einer Tintenstrahlöffnung (14) und einem Bildempfangsmedium, die sich relativ zueinander bewegen, wobei die Öffnung (14) Tintenpunkte auf dem Bildempfangsmedium mit einer vorbestimmten Auflösung abscheidet, wobei der Drucker eine Druckkammer (22), die mit der Öffnung (14) in Fluidverbindung steht, umfasst, und wobei eine darin einen Meniskus bildende Tinte durch Betrieb eines Wandlers (32), der mit der Druckkammer (22) verbunden ist, ausgeworfen wird, wobei das Verfahren umfasst:

(i) Erzeugen von wählbaren Energiezufuhren, wovon eine ausgewählte Energiezufuhr den Wandler (32) aktiviert, um in dem Meniskus eine entsprechende Modenform anzuregen, die ein Auswerfen eines Tintentropfens mit einem entsprechenden Volumen bewirkt;

(ii) Bewegen der Öffnung (14) und des Bildempfangsmediums relativ zueinander mit einer ersten Abtastgeschwindigkeit;

(iii) Wählen einer ersten Energiezufuhr mit einer ersten spektralen Energieverteilung, die den Meniskus in einer ersten Modenform anregt, um Tintentropfen mit einem ersten Volumen aus der Öffnung (14) auszuwerfen;

(iv) Auswerten der Tintentropfen mit dem ersten Volumen in Richtung des Bildempfangsmediums, um darauf Tintenpunkte mit einer ersten Auflösung abzuscheiden;

(v) Bewegen der Öffnung (14) und des Bildempfangsmediums relativ zueinander mit einer zweiten Abtastgeschwindigkeit;

(vi) Wählen einer zweiten Energiezufuhr mit einer zweiten spektralen Energieverteilung, die den Meniskus in einer zweiten Modenform anregt, um Tintentröpfen mit einem zweiten Volumen aus der Öffnung (14) auszuwerten; und

(vii) Auswerfen der Tintentropfen mit dem zweiten Volumen in Richtung des Bildempfangsmediums, um darauf Tintenpunkte mit einer zweiten Auflösung abzuscheiden.

16. Ein Verfahren nach Anspruch 15, wobei die erste Modenform eine Modenform einer Null-Mode ist.

17. Ein Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, wobei die zweite Modenform eine Modenform einer Eins-Mode, einer Zwei-Mode oder einer Drei-Mode ist.

18. Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei bei der ersten Auflösung Punkte auf dem Bildempfangsmedium mit ungefähr einer 12-Punkte pro-Millimeter-Auflösung abgeschieden werden.

19. Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei bei der zweiten Auflösung Punkte auf dem Bildempfangsmedium mit ungefähr einer 24-Punkte pro-Millimeter-Auflösung abgeschieden werden.

20. Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei die erste Energiezufuhr eine erste elektrische Signalform und die zweite Energiezufuhr eine zweite elektrische Signalform ist.

21. Ein Verfahren nach Anspruch 20, wobei die zweite Modenform eine Modenform einer Eins-Mode, einer Zwei-Mode oder einer Drei-Mode ist, und der Erzeugungsschritt das Erzeugen einer zweiten elektrischen Signalform nach sich zieht, die eine unipolare Impulsgruppe oder eine bipolare Impulsgruppe einschließt.

22. Ein Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, wobei die erste Modenform eine Modenform einer Null-Mode ist und der Erzeugungsschritt das Erzeugen einer ersten elektrischen Signalform nach sich zieht, die ein unipolares Impulspaar, das durch eine Wartezeit getrennt ist, oder ein bipolares Impulspaar, das durch eine Wartezeit getrennt ist, einschließt.

23. Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 22, wobei der Erzeugungsschritt ein sich wiederholendes Erzeugen einer ausgewählten der ersten oder zweiten Energiezufuhren mit einer Rate nach sich zieht, so dass die ausgewählten ersten und zweiten Tintentropfenvolumen aus der Öffnung (14) mit einer Tropfenauswurfrate im Bereich von Null bis zumindest ungefähr 20000 Tintentropfen pro Sekunde ausgeworfen werden.

24. Ein Verfahren nach Anspruch 23, wobei der Erzeugungsschritt das Einstellen einer Amplitude der ersten und zweiten Energiezufuhren miteinschließt, um zu bewirken, dass die ausgewählten ersten und zweiten Tintentropfenvolumen im Wesentlichen eine gleiche Tropfenübergangszeit von der Öffnung (14) zu dem Bildempfangsmedium über einen Tropfenauswurfratenbereich von Null bis zumindest ungefähr 18000 Tintentropfen pro Sekunde aufweisen.

25. Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 24, wobei der Erzeugungsschritt das Konzentrieren einer spektralen Energieverteilung jeder der ersten und zweiten Energiezufuhren um eine gewünschte Öffnungsresonanzfrequenz und das Unterdrücken der spektralen Energieverteilung jedes der ersten und zweiten Energieeinträge um eine ungewünschte Öffnungsresonanzfrequenz umfasst.