DE3038398A1

DE3038398A1 - Einrichtung in einem tintenstrahldrucker zur erzeugung von tintentroepfchen

Info

Publication number: DE3038398A1
Application number: DE19803038398
Authority: DE
Inventors: Yoichi Shimazawa; Hitoshi Nara Suzuki; Fumio Yamatokoriyama Nara Togawa
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1979-10-11
Filing date: 1980-10-10
Publication date: 1981-04-30
Also published as: JPS5655268A; US4368474A; DE3038398C2

Description

TER MEER · MÜLLER

-ZIN.VIEiSTZR ^SharP ¹⁵¹⁸

- 4 BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung von Tintentröpfchen in einem Tintenstrahldrucker gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 .

Zur Erreichung eines stabilen Betriebsablaufs und eines präzisen Druckerzeugnisses muß die Tintentröpfchenbildung stabilisiert werden. Ein älterer Tintenstrahldrucker enthält zu diesem Zweck eine Wärmequelle, welche für die Einhaltung einer konstanten Temperatur der Tintenflüssigkeit sorgt, wobei eine lange Anlaufzeit bis zum eigentlichen Druckbeginn unvermeidbar ist. Ferner kann sich der bekannte Tintenstrahldrucker nicht an rasche Änderungen der Umgebungstemperatur anpassen, und selbst bei Einhaltung einer gleichmäßigen Tintentemperatur bietet er keine Gewähr für eine gleichmäßige Konsistenz, Viskosität etc. der verwendeten Tinte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Tintentröpfchen erzeugersystem für Tintenstrahldrucker zu schaffen, welches stabil arbeitet und die Herstellung einwandfreier Druckerzeugnisse ermöglicht.

Die erfindungsgemäße Lösung der gestellten Aufgabe ist kurz gefaßt im Patentanspruch 1 angegeben, 25

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Spannung des dem an der Düse befestigten elektromechanischen Wandler oder Schwinger zugeführten Erregersignals während

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des Betriebes durch eine Änderungsschaltung in Verbindung mit einer Steuereinheit im Sinne einer Stabilisierung und/oder Temperaturanpassung geändert wird.

In Weiterbildung des Erfindungsgedankens kann ferner durch Ermittlung eines Tintentröpfchen-Ladungszustands durch eine Prüfeinheit die Tröpfchenbildung überwacht werden. Durch Heranziehung des von der Prüfeinheit erstellten Ergebnisses zur Regulierung der Spannung des Erregersignals kann die Tröpfchenbildung unter Ausschaltung von Temperatur-.jQ einflüssen in einem bevorzugten Bereich gehalten werden.

Nachstehend werden einige die Merkmale der Erfindung aufweisende Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Tintentröpfchenerzeugers in einem

Tintenstrahldrucker,

Fig. 2 eine grafische Darstellung zur Abhängigkeit der Tröpfchenbildung von der Umgebungstemperatur und einem Spannungswert

eines Erregersignals für einen elektro

mechanischen Wandler,

Fig. 3 schematische Darstellungen zur Tröpfchenbildung,

Fig. 4 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Tintentröpfchenerzeugersystems,

Fig. 5 ein schematisches Schaltbild eines Ladungszustandsdetektors in dem System von Fig. 4,

Fig. 6(A) bis 6(F) Spannungsabläufe im Betrieb des Ladungszustandsdetektors von Fig. 5,

Fig. 7 ein schematisches Schaltbild eines in dem

Tintentröpfchenerzeugersystern von Fig. enthaltenen Ladungszustandsdetektors,

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Fig. 8 in dem Detektor von Fig. 7 auftretende Prüfimpulse,

Fig. 9(A) bis 9(C) verschiedene Formen

eines Prüfsignals aus dem Detektor von Fig. 7, und

Fig. 10 ein schematisch.es Schaltbild einer anderen Erregerspannung-Änderungsschaltung für ein erfindungsgemäßes Tintentröpfchenerzeugersystems.

Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Tintentröpfchenerzeuger eines Tintenstrahldruckers umfaßt eine Düse 10 zur Abgabe von Tintenflüssigkeit 11, die von einer Pumpe 14 aus einem Reservoir 12 durch eine Leitung 16 zugeführt wird, einen beispielsweise als Ultraschallschwinger ausgebildeten und an der Düse 10 befestigten elektromechanischen Wandler 18, welcher die Düse 10 mit einer gegebenen Frequenz eines von einem Oszillator 20 kommenden Erregersignals in Schwingungen versetzt und dabei mit der gegebenen Frequenz Tintentröpfchen 22 bildet, und einen die Tintentröpfchen 22 gemäß einer Druckimformation aufladenden Ladetunnel 24. Die so aufgeladenen Tröpfchen werden beim Passieren eines durch nicht dargestellte Ablenkelektroden erzeugten Feldes abgelenkt und auf einem zu bedruckenden Papier (nicht dargestellt) abgelagert.

Die Tröpfchenbildung ist von gewissen Eigenschaften der Tintenflüssigkeit abhängig. Wenn sich die Bestandteile oder die Temperatur der Tintenflüssigkeit ändern, kommt es zu starken Abweichungen der Viskosität, Oberflächenspannung und Dichte der Tintenflüssigkeit, so daß sich die Bedingungen für die Tintentröpfchenbildung verändern. Das Ladesignal muß in zeitlicher Übereinstimmung mit der Tröpfcbenabtrennungnung angelegt werden. Ein nicht mit der Tröpfchenbildung

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synchronisiertes Ladesignal ergibt Störungen im Druckvorgang.

üblicherweise erhält der elektromechanische Wandler 18 ein sinusförmiges Erregersignal von dem Oszillator 20, und daran wird zur Erzielung einer korrekten Ladeoperation das Aufladesignal durch eine Synchronisiereinrichtung angepaßt. Bei diesem herkömmlichen System liegt das sinusförmige Erregersignal in Phase und Spannung fest. Versuche der Erfinder des neuen Systems haben erstmals gezeigt, wie groß der Einfluß der Spannung des Erregersignals auf die Tröpfchenbildung ist. Bei einer falschen Erregersignal-Spannung können zusätzlich zu den der Aufladung unter- *sekundärer worfenen Tintentröpfchen 22 kleinere, sog. Trabantentröpfchen 22' entstehen. Ferner haben die Erfinder ermittelt, wo in Abhängigkeit von den Eigenschaften der Tintenflüssigkeit der bevorzugte Spannungswert des Erregersignals liegen muß.

In Fig. 2 sind nach Versuchsergebnissen grafisch die Bedingungen der Tröpfchenbildung in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur und der Spannung V des Erregersignals für den elektromechanischen Wandler 18 aufgetragen, und zwar für eine vorzugsweise auf 100 kHz festgelegte Frequenz f des Erregersignals und eine Tröpfchenabgabegeschwindigkeit aus der Düse 10 von vorzugsweise 18 m/s.

In Fig. 2 liegen in Bereichen I und III Tröpfchenbildungsbedingungen vor, bei denen Trabantentröpfchen entstehen.

In einem bevorzugten Tröpfchenbildungsbereich II entstehen keine Trabantentröpfchen. In einem zu Bereich I gehörenden Bereich II-1 entstehen Trabantentröpfchen, die aber kurz nach ihrer Entstehung von den Tintentröpfchen 22 aufgenommen werden; gleiches gilt für einen zu Bereich III gehörenden

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Bereich II-2. Folglich müssen die Bedingungen für die Tröpfchenbildung innerhalb des in Fig. 2 schraffiert dargestellten Bereiches gehalten werden, damit einwandfreie Druckerzeugnisse hergestellt werden* In Fig. 2 sind mit (T) bis Qf) verschiedene Prüf punkte bezeichnet, an denen die Spannung V des Erregersignals bei auf 2O⁰C

US

gehaltener Umgebungstemperatur geändert wird.

In Fig. 3 sind zu den Prüfpunkten (T) bis (V) von Fig. 2 die Bedingungen der Tröpfchenbildung schematisch dargestellt. Daraus ergibt sich, daß bei den Punkten Q\J , QT) , (V) und (tJ zusätzlich zu den Tintentröpfchen 22 Trabantentröpfchen 22' entstehen. An den Punkten (V) und \5j entstehen zwar gleichzeitig mit der Bildung der Tintentröpfchen 22 Trabantentröpfchen 22', sie vereinigen sich jedoch unmittelbar danach mit den vorausgehenden oder nachfolgenden Tintentröpfchen 22. Bei Punkt [Aj herrschen optimale Bedingungen, es entstehen nur Tintentröpfchen 22 und keine Trabantentröpfchen. Das erfindungsgemäße Tintentröpfchenerzeugersystem sorgt durch Veränderung der Spannung V des Erregersignals dafür, daß die Tröpfchenbildung immer in dem schraffierten Bereich von Fig. 2 erfolgt, vorzugsweise im Bereich II.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Tintentröpfchenerzeugersystems tragen mit Fig. 1 übereinstimmende Elemente gleiche Bezugszahlen. In Abhängigkeit von einem Prüfausgang einer Ladungs-Prüfeinheit 26 ändert eine Änderungsschaltung 28 den Wert der Spannung V des Erregersignals. Ein Ladesignalgenerator 30 gibt an

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den Ladetunnel 2 4 ein Ladesignal ab, dessen Phase in Abhängigkeit von dem Prüfausgang der Ladungs-Prüfeinheit 26 reguliert wird.

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Als Grundfrequenz erhalten die Änderungsschaltung 28 und der Ladesignalgenerator 30 ein Bezugsfrequenzsignal f. Der Ladesignalgenerator 30 gibt außer dem Ladesignal für die Durchführung der Druckoperation einen Abtastimpuls zur überprüfung des Ladezustands ab. Da sich der Ladezustand mit den Bedingungen der Tröpfchenbildung ändert, ist der Prüfausgang der Prüfeinheit 26 ein Maßstab für die Tröpfchenbildung.

In der Prinzipdarstellung der Prüfeinheit 26 in Fig. 5 tragen mit Fig. 1 und 4 übereinstimmende Einzelheiten gleiche Bezugszahlen. Die aus Metall bestehende Leitung 16 steht im Kontakt mit der Tintenflüssigkeit 11 und ist über einen Kondensator 32 und einen dazu parallel geschalteten Schalter 3 4 mit Masse verbunden. Bei Zugang des Ladesignals oder Abtastimpulses vom Generator 30 zum Ladetunnel 24 wird die Tintenflüssigkeit 11 endseitig in bestimmter Weise aufgeladen, ein in diesem Augenblick erzeugtes Tintentröpfchen 22 trägt die zugeführte Ladung, und der Kondensator 32 wird entsprechend aufgeladen. Folglich ist eine über den Kondensator 32 gebildete Spannung ein Maßstab für den Ladungszustand von Tintentröpfchen 22. Bei fehlender Synchronisationen zwischen Tröpfchentrennung und Ladesignalzuführung würde keine Spannung am Kondensator 32 entstehen.

Der Ladesignalgenerator 30 kann den Abtastimpuls in gewünschten Phasenlagen zum Bezugsfrequenzsignal f erzeugen. Fig.

U. S

(A) zeigt das vom Oszillator 20 erzeugte und dem Wandler 18 zugeführte sinusförmige Erregersignal V . Fig. 6(B) zeigt eine Bedingung, wo zusätzlich zu dem gewünschten Tintentröpfchen 22 ein Trabantentröpfchen 22' entsteht. Ein in Fig. 6(C) dargestellter Prüfimpuls hat eine feste Phasenlage zum sinusförmigen Erregersignal V . Der in Fig. 6(D)

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dargestellte andere Abtastimpuls hat relativ zu dem sinusförmigen Erregersignal V zwei Phasenlagen. In Fig. 6(E) ist ein anderer Abtastimpuls gezeigt, der relativ zu der Bezugsfrequenz durch vier geteilt ist, und das in Fig. 6(F) gezeigte Beispiel enthält einen Abtastimpuls, der gegenüber der Bezugsfrequenz durch "n" geteilt ist.

Angenommen der Ladesignalgenerator 3 0 liefert dem Ladetunnel 24 den Abtastimpuls gemäß Fig. 6(E) während das Tintentröpfchen 22 mit Trabantentröpfchen 22' gemäß Fig. 6(B) entsteht. Der Schalter 34 wird sofort geschlossen, um den Kondensator 32 zu entladen. Bei Zugang des ersten Abtastimpulses V₁(4) mit einer Spannung -V an den Ladetunnel 24 erhält der Tintenstrahl 11 eine Ladung, deren Größe von der Kapazität C des Kondensators 32, der Schaltungskapazität C₁ zwischen Tunnel 24 und Tintenstrahl 11 und der Schaltungskapazität C„ zwischen Tunnel 24 und dem jetzt entstehenden Tintentröpfchen 22-1 abhängt. Wenn C wesentlich größer als (C.+C„) ist, wird die an C₁ oder C„ auftretende Spannung etwa identisch mit V sein. Die so zugeführte Ladung verschwindet, wenn die Zufuhr des ersten Abtastimpulses V.(4) beendet ist. Wenn sich jedoch das Tintentröpfchen 22-1 genau während der Zufuhr des ersten Abtastimpulses V₁(4) an den Ladetunnel von dem geschlossenen Tintenstrahl 11 löst, trägt es die Ladung q₁(=C'.V), und diese Ladung speichert der Kondensator 32, weil C» C₁ ist.

Nach Entladung des Kondensators 32 über den Schalter 34 erreicht den Ladetunnel 24 der zweite Abtastimpuls V»(4) von dem Ladesignalgenerator 30. Da sich im Augenblick der Zuführung dieses zweiten Abtastimpulses an den Ladetunnel 24 das Trabantentröpfchen 22' von dem festen Tintenstrahl

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trennt, speichert der Kondensator 32 eine Ladung q„(=C ''.V) Mit Zugang des dritten oder vierten Abtastimpulses V-. (4) bzw. V. (4) am Ladetunnel erhält der Kondensator 32 keine Ladung, weil sich kein Tintentröpfchen von dem Tintenstrahl löst. Folglich ist die über den Kondensator 32 auftretende Spannung ein Maßstab für den Ladezustand oder die Tröpfchenbildung. Mit steigender Häufigkeit der Abtastimpulse steigt die Prüfgenauigkeit.

•j Q Gemäß Fig. 8 erhält der Ladetunnel 24 vorzugsweise einen Abtastimpuls V.(n), welcher der m-fachen Periode des Bezugsfrequenzsignals f entspricht. Durch diese m-fache Akkumulation der Ladungsmenge g. wird eine m-fache Meßempfindlichkeit erzielt. Bei Zufuhr des η-fach unterteilten Abtastimpulses V.(n) an den Ladetunnel 2 4 errechnet sich die Spannung V . über die Kapazität (C) aus folgender Gleichung:

j = 1, 2, , η; und

qj ist die Ladungsmenge in Periode j des 2Q n—geteilten Abtastimpulses V.(n)»

Bei der in Fig. 7 dargestellten Ausführung der Ladungsund Prüfeinheit 26 tragen wieder mit Fig. 4 und 5 übereinstimmende Elemente gleiche Bezugszahlen. Eine an der Leitung 16 aus Metall befestigte Prüfelektrode 36 ist über den Kondensator 32 und einen den Schalter 34 von Fig. 5 ersetzenden Widerstand 38 an Masse gelegt. Die am Kondensator 32 anliegende Ladungsspannung verstärkt ein daran angeschlossener Tiefpaßverstärker 40. Die Entladung des Kondensators durch den Widerstand 38 erfolgt mit einer durch beide Bau-

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elemente festgelegten Zeitkonstante, die zwischen der

Bezugsperiode (1/f ) und der Prüfperiode (m χ -~ )

gewählt ist. Wenn mit dieser Schaltung der ^us Ladetunnel 2 4 in der Periode m von Fig. 8 die Abtastimpulsspannung V.(n) erhält, nimmt der Kondensator 32 eine der Ladungsmenge q. proportionale Ladung auf, und die Spannung V . ergibt sich ähnlich wie in Gleichung (1) aus folgender Gleichung (2):

. CX m —3 (j = 1,2, ,n) (2)

CJ 1-

Purch überwachung jedes Abtastimpulses für eine m χ n-Periode wird eine Reihe von Ladungszuständen in jedem Erregerzyklus ermittelt, an dem Kondensator 32 entsteht eine serienförmige Wellenspannung V (t) :

V_c(t) =X3V_c. (3)

In der Praxis sind der Meßgenauigkeit dadurch Grenzen gesetzt, daß das Teilerverhältnis η durch den Flüssigkeitswiderstand, die Streukapazität sowie den Sättigungsund Entladezeitraum beim AnI egen des Prüfimpulssignals begrenzt wird. Von dem Tiefpaßverstärker 40 abgegebene Wellenzüge sind in Fig. 9(A) bis 9(C) dargestellt, wobei der Ausgang von Fig. 9(B) bevorzugt wird, weil hier keine Trabantentröpfchen entstehen wie bei den Tröpfchenbildungs bedingungen (?) , (T) und (Έ) von Fig. 2 und 3. Dagegen erfolgt in Fig. 9(A) wie bei den Bedingungen (V) und Q von Fig. 3 und in Fig. 9(C) wie bei den Bedingungen von \6J und (T) von Fig. 3 die Bildung eines Trabantentröpfchens 22' .

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Wenn die Prüf einheit 26 den Spannungsverlauf von Fig. 9(C) abgibt, erhöht die Änderungsschaltung 28 die Spannung des Erregersignals für den elektromechanischen Wandler 18, um die Bedingungen der Tröpfchenbildung wieder in den schraffierten Bereich von Fig. 2 zu rücken. Sobald diese erwünschte Tropfchenbildungs-Bedingung erreicht ist, gibt die Prüfeinheit 26 den bevorzugten Prüfausgang gemäß Fig. 9(B) ab, und die Spannung des Erregersignals behält ihren Wert.

Der Prüfausgang der Prüfeinheit 26 dient auch zur Synchronisierung der Ladesignalzuführung mit der Tröpfchenabtrennung. Deshalb gibt der Ladesignalgenerator 30 synchron mit dem Abtastimpuls V. (n), mit dem der Wellenzug gemäß Fig. 9(B) entsteht, das echte Druck-Aufladesignal an den Ladetunnel 24 ab.

Während vorstehend die Tröpfchenbildung durch die Prüfeinheit 26 überwacht wird, erfolgt bei einem in Fig. 10 dargestellten anderen Ausführungsbeispiel die Änderung der Erregerspannung abhängig von Änderungen der Umgebungstemperatur. Diese Schaltung enthält außer einem Thermistor 42 einen das Bezugsfrequenzsignal f über einen Widerstand 46 aufnehmenden Operationsverstärker 44, dessen Ausgangsspannungswert durch den Thermistor 42 veränderbar gesteuert und dem elektromechanischen Wandler 18 zugeführt wird. Mit steigender Umgebungstemperatur ändert der Thermistor 42 seinen Widerstandswert so, daß die Verstärkung des Operationsverstärkers 44 kleiner wird. Die Widerstandsänderung des Thermistors 42 und damit auch die Spannungsänderung des Erregersignals verlaufen nach einer logarith- mischen Funktion. So wird die Spannung des Erregersignals automatisch auch bei Änderungen der Umgebungstemperatur in dem schraffierten Bereich von Fig. 2 gehalten.

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Claims

PAT E N TA N WA LTE

TER MEER-MÜLLER-STEINMEISTER

Beim Europäischen Patentamt zugelassene Vertreter — Professional Representatives before the European Patent Office Mandatalres agrees pres !'Office european des brevets

Dipl.-Chem. Dr. N. ter Meer Dipl -Ing. H. Steinmeister

Dipl.-lng, F. E. Müller <=5i«kftrwail 7

Triftstrasse 4, faiekerwali 7,

D-8OOO MÜNCHEN 22 D-48OO BIELEFELD

1518-GER-T

Mü/Gdt/Kü 10. Oktober 1980

SHARP KABUSHIKI KAISHA 22-22 Nagaike-cho, Abeno-ku Osaka 545 / Japan

Einrichtung in einem Tintenstrahldrucker zur Erzeugung von

Tintentröpfchen

Priorität: 11. Oktober 1979, Japan, No. 54-131610

PATENTANSPRÜCHE

{ 1.I Einrichtung zur Erzeugung von Tintentröpfchen in einem ν—s Tintenstrahldrucker mit

- einer Düse zur Abgabe eines Tintenstrahls,

- einem an der Düse befestigten elektromechanischen Wandler, der die Düse in Abhängigkeit von einem Erregersignal mit einer gegebenen Frequenz in Schwingungen versetzt, und mit

- einer Einrichtung zur elektrischen Aufladung der Tintentröpfchen entsprechend einer zu druckenden Information,

gekennzeichnet durch

- eine Schaltung (28) zur Änderung eines Spannungswertes des dem elektromechanischen Wandler (18) zuzuführenden

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Erregersignals, und

- eine Steuereinheit, die durch Abgabe eines Steuersignals an die Änderungsschaltung (28) den Spannungswert des Erregersignals in eine Größenordnung bringt, bei der keine Trabanten-Tintentröpfchen (22') entstehen .
2. Einrichtung nach Anspruch 1,

gekennzeichnet durch eine Prüfeinheit (26), welche durch Ermittlung eines den Tintentröpfchen durch die Aufladeeinrichtung (30, 24) erteilten Ladungszustands das Auftreten von sekundären Tintentröpfchen (22') überwacht.
3. Einrichtung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungszustands-Prüfeinheit

- ein im elektrischen Kontakt mit dem von der Düse ab- gegebenen Tintenstrahl befindliches Metallelement (36),

- einen an das Metallelement elektrisch angeschlossenen Kondensator (32),

- einen Suchimpulsgenerator zur Abgabe eines Suchimpulses an die Aufladeeinrichtung (30), und

- einen Detektor (40) zur Ermittlung einer in dem Kondensator gespeicherten Ladung

umfaßt.
4. Einrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit eine die Umgebungstemperatur messende Einrichtung enthält und das Steuersignal an die Änderungsschaltung (28) in Abhängigkeit von Änderungen der Umgebungstemperatur abgibt.

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~~ ^: 303C398
5. Einrichtung nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungswert des Erregersignals bei steigender Umgebungstemperatur verminder wird.
6. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gegebene Frequenz 1OO kHz beträgt.
7. Einrichtung nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, daß die Tintentröpfchen etwa eine Ausbreitungsgeschwindigkeit von 18m/s haben.

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