DE60210892T2

DE60210892T2 - DOD-Vorrichtung mit thermischer Betätigungseinrichtung und Verfahren mit verringertem Energiebedarf

Info

Publication number: DE60210892T2
Application number: DE60210892T
Authority: DE
Inventors: c/o Eastman Kodak Company David Paul Rochester Trauernicht; c/o Eastman Kodak Company John Andrew Rochester Lebens
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 2001-10-12
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2006-11-23
Anticipated expiration: 2022-10-01
Also published as: EP1302319A2; EP1302319A3; JP2003118118A; DE60210892D1; EP1302319B1; US6435666B1

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf DOD-Emitter zum Ausstoßen von Flüssigkeiten und insbesondere auf mit thermomechanischen Betätigungsvorrichtungen arbeitende Tintenstrahlgeräte.
Drop-on-demand-Emitter (DOD-Emitter) zum Ausstoßen von Flüssigkeitstropfen sind seit vielen Jahren als Tintendruckvorrichtungen in Tintenstrahlsystemen bekannt. Frühere Geräte basierten auf piezoelektrischen Betätigungselementen, wie sie zum Beispiel von Kyser et al. in US-A-3 946 398 und von Stemme in US-A-3 747 120 beschrieben werden. Bei einer derzeit populären Form des Tintenstrahldrucks, dem Thermo-Tintenstrahldruck (oder "Bubble Jet"-Druck), werden – wie von Hara et al. in US-A-4 296 421 beschrieben – zum Ausstoßen der Tintentropfen Dampfblasen erzeugende elektrische Widerstandsheizelemente eingesetzt.
Mit elektrischen Widerstandsheizelementen arbeitende Betätigungsvorrichtungen haben gegenüber piezoelektrischen Betätigungsvorrichtungen Vorteile hinsichtlich der Herstellungskosten, weil sie mittels hoch entwickelter mikroelektronischer Prozesse hergestellt werden können. Andererseits erfordern thermische Tintenstrahl-Tropfenausstoßmechanismen, dass die Tinte eine verdampfbare Komponente enthält, und die Tintentemperaturen steigen örtlich weit über den Siedepunkt dieser Komponente hinaus an. Diese Temperaturrisiken setzen der Formulierung der Tinten und der sonstigen Flüssigkeiten, die von thermischen Tintenstrahlausstoßvorrichtungen zuverlässig ausgestoßen werden können, enge Grenzen. Da bei piezoelektrisch betätigten Vorrichtungen mechanisch Druck auf die Flüssigkeit ausgeübt wird, setzen diese Vorrichtungen den zu emittierenden Flüssigkeiten keine derart engen Grenzen.
Die von den Anbietern von Tintenstrahlgeräten erzielten Verbesserungen hinsichtlich Verfügbarkeit, Kosten und technischer Leistung haben auch zu einem Interesse an den genannten Vor richtungen für andere Anwendungen geführt, die eine Mikrodosierung von Flüssigkeiten erfordern. Neue Anwendungen dieser Art sind zum Beispiel die Dosierung spezieller Chemikalien für die mikroanalytische Chemie, wie sie von Pease et al. in US-A-5 599 695 beschrieben werden, die Dosierung von Beschichtungsmaterialien bei der Herstellung elektronischer Geräte, wie sie von Naka et al. in US-A-5 902 648 beschrieben wird, und die Dosierung von Mikrotropfen für die medizinische Inhalationstherapie, wie sie von Psaros et al. in US-A-5 772 882 beschrieben wird. Vorrichtungen und Verfahren, die in der Lage sind, nach Bedarf Tropfen der unterschiedlichsten Flüssigkeiten im Mikronbereich auszustoßen, werden zum einen beim Drucken von Bildern höchster Qualität, aber auch für neue Anwendungen benötigt, bei denen Flüssigkeiten zu einzelnen ultrafeinen Tropfen dispergiert, präzise platziert und zeitlich gesteuert und minutiös abgestuft werden müssen.
Es wird eine kostengünstige Lösung für das Ausstoßen von Mikrotropfen benötigt, die bei einer Vielzahl unterschiedlich formulierter Flüssigkeiten einsetzbar ist. Dabei werden Vorrichtungen und Verfahren benötigt, die den Vorteil der mikroelektronischen Fertigung bei thermischen Tintenstrahl-Betätigungsvorrichtungen mit den für piezo-elektromechanische Vorrichtungen bestehenden breiten Möglichkeiten unterschiedlicher Flüssigkeitszusammensetzungen verbindet.
Eine DOD-Tintenstrahlvorrichtung, die mit einer thermomechanischen Betätigungsvorrichtung arbeitet, wurde bereits von T. Kitahara in JP 2030543 , veröffentlicht am 31. Januar 91990, beschrieben. Die Betätigungsvorrichtung ist als in einer Tintenstrahlkammer bewegbarer doppellagiger Ausleger ausgebildet. Der Ausleger wird durch einen Widerstand erwärmt und biegt sich aufgrund der ungleichen Wärmeausdehnung der Schichten. Durch die Bewegung des freien Endes des Auslegers wird auf die Tinte an der Düse Druck ausgeübt und ein Tropfen ausgestoßen. In jüngster Zeit wurde eine ähnliche thermomechanische DOD-Tintenstrahlvorrichtung von K. Silverbrook in US-A-6 067 797, 6 234 609 und 6 239 821 beschrieben. Verfahren für die Herstellung thermomechanischer Tintenstrahlvorrichtungen mittels mikroelektronischer Prozesse werden von K. Silverbrook in US-A-6 254 793 und 6 274 056 beschrieben.
Tropfenausstoßvorrichtungen mit thermomechanischen Betätigungsvorrichtungen versprechen großen Nutzen als kostengünstige Vorrichtungen, die mittels mikroelektronischer Materialien und Geräte in Massenfertigung hergestellt und auch mit solchen Flüssigkeiten betrieben werden können, mit denen bei thermischen Tintenstrahlvorrichtungen keine zuverlässigen Ergebnisse erzielt werden könnten. Allerdings erfordert der Betrieb von Tropfen-Ausstoßvorrichtungen mit thermischen Betätigungselementen bei hohen Tropfen-Wiederholfrequenzen eine sorgfältige Beachtung des Problems des übermäßigen Wärmeaufbaus. Die Ausbildung des Tropfens beruht auf der Erzeugung eines Druckimpulses in der Flüssigkeit an der Düse. Stärkere Abweichungen der Grundtemperatur der Tropfenausstoßvorrichtung und insbesondere der thermomechanischen Betätigungsvorrichtung selbst machen es unmöglich, einen Abschnitt der verfügbaren Bewegung des Betätigungselements durch die Systemsteuerung so zu regeln, dass die höchstzulässigen Betriebstemperaturen der Materialien des Geräts und der Arbeitsflüssigkeit selbst nicht überschritten werden. Benötigt werden Geräte und Verfahren zum Betreiben thermomechanischer DOD-Ausstoßvorrichtungen, die den Wärmeaufbau so kontrollieren, dass eine maximale Produktivität der Geräte erreicht wird.
Erfindungsgemäß werden Tropfen dadurch ausgestoßen, dass die Wärmeenergiezufuhr verringert wird, wenn gemäß der Anwendung Tropfengruppen oder bestimmte Tropfenserien benötigt werden. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine gedämpfte Resonanzschwingung der Thermo-Betätigungseinrichtung selbst erforderlich.
Die Nutzung von Flüssigkeits-Resonanzschwingungen bei piezoelektrischen DOD-Tintenstrahlgeräten ist bekannt. Bei diesen bekannten Verfahren macht man von der durch Oberflächenspannungseffekte erzeugte Resonanz des Tintenmeniskus an der Düse oder von der durch Anpassungseffekte erzeugten Helmholtz-Resonanz der Tintenkammer für die Änderung des Volumens oder die Anzahl der ausgestoßen Tropfen Gebrauch. Tence et al. verwenden in US-A-5 589 291 Wellenformen, die piezoelektrische Wandler mit Konzentrationen spektraler Energie mit Frequenzen beaufschlagen, die den modalen Resonanzen der Tinte in den Düsen des Tintenstrahlkopfs entsprechen. Durch die Erregung unterschiedlicher Resonanz-Schwingungstypen wird der Ausstoß unterschiedlicher Tropfengrößen bewirkt.
Paton et al. beschreibt in US-A-5 361 084 ein Mehrfarbendruckverfahren mittels eines piezoelektrischen DOD-Druckkopfs mit lang gestreckten Tintenkammern und Seitenwand-Betätigungseinrichtungen, bei dem ein Strahl jeweils dadurch erzeugt wird, dass mittels eines Impulspakets im Tintenstrahlkanal eine akustische Längsresonanz erzeugt wird, die den Ausstoß einer Anzahl diskreter Tropfen bewirkt. Lee et al. beschreiben in US-A-4 513 299 einen ähnlichen Einsatz akustischer Resonanz in Tintenkanälen eines piezoelektrischen Tintenstrahldruckkopfs.
DeBonte et al. beschreiben in US-A-5 202 659 ein Verfahren zum Betreiben eines piezoelektrischen Druckkopfs mittels der dominanten Resonanzfrequenz der Tintenstrahlvorrichtung. Bei den dargestellten Beispielen wird die dominante Resonanz als die Helmholtz-Resonanz einer einzelnen Strahlkammer beschrieben, die dadurch erzeugt wird, dass man den Piezowandler derart betätigt, dass er zunächst die Tintenkammer erweitert, dann die Resonanzperiode abwartet und die Kammer schließlich wieder verengt, um diese Resonanz zu verstärken. Dieser Erregungsprozess wird mehrere Male wiederholt, um mehrere miteinander verschmelzende Tropfen zum Drucken von Punkten unterschiedlicher Größe zu erzeugen. Bei den von DeBonte et al. beschriebenen Verfahren werden mechanische Resonanzen großer Flüssigkeitsmengen erzeugt, die sich zwar für piezoelektrische Vorrichtungen großer Dimension eignen, für Tropfenausstoßkammern mit Dimensionen von weniger als einigen Mikron aber nicht geeignet sind. Helmholtz-Resonanzen und andere mechanische Flüssigkeitsresonanzen weisen zu hohe Frequenzen auf, um bei Flüssigkeitswegen von weniger als 1 mm mehrere Tropfen erzeugen zu können.
Andere Erfinder piezoelektrischer Tintenstrahlgeräte raten vom Einsatz mechanischer Flüssigkeitsresonanzen ab, wenn die Gleichmäßigkeit des Tropfenvolumens und der Tropfengeschwindigkeit von Bedeutung ist. Stanley et al. beschreiben in US-A-5 170 177 ein Verfahren zum Betreiben einer Piezo-DOD-Vorrichtung, bei dem die elektrischen Impulse so geregelt werden, dass ihr Energiegehalt bei einer der dominanten akustischen Frequenz des Tintenstrahl entsprechenden Frequenz ein Minimum erreicht, um den Tropfenabbruch zu beschleunigen, die Tropfenform zu optimieren und Schwankungen in der Tropfengeschwindigkeit zu minimieren. Auch die Lehren von Murakami et al. in US-A-4 577 201 und Torii et al. in US-A-6 102 512 sprechen gegen die Nutzung von Helmholtz-Resonanzen und anderen mechanischen Flüssigkeitsresonanzen, um ein gleichmäßiges Flüssigkeitsvolumen und eine gleichmäßige Tropfengeschwindigkeit zu erreichen. Schließlich beschreibt Pegelly in US-A-5 801 732 ungleichmäßige Tropfenvolumina und Tropfengeschwindigkeiten, die durch die Erzeugung von Piezo-Wandler-Resonanzen in einem Tintenstrahldruckkopf erzeugt werden, sowie ein Timing-Verfahren zum Vermindern dieser Effekte.
Benötigt werden thermomechanische DOD-Tropfenausstoßvorrichtungen, die den Energieeinsatz und den Aufbau von Abwärme minimieren und damit maximale reine Tropfenausstoßfrequenzen ermöglichen. Die Erfindung macht dafür nicht von mechanischen Flüssigkeitsresonanzen des Meniskus, von Helmholtz-Schwingungen der Flüssigkeitskammern oder von sonstigen Resonanzen der gesamten Tintenstrahlvorrichtung, sondern von einer gedämpften Resonanzschwingung des Thermo-Betätigungselements Gebrauch. Die geringen Abmessungen mikrogefertigter Cantilever-Betätigungselemente ermöglicht Resonanzfrequenzen in einem für die feinen und ultrafeinen Tropfenausstoßvorrichtungen, für die die erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen vorgesehen sind, vorteilhaften Bereich.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine mittels eines thermomechanischen Cantilevers betätigte Flüssigkeitstropfenausstoßvorrichtung bereitzustellen.
Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine thermomechanische Tropfenausstoßvorrichtung anzugeben, die Tropfenserien und Tropfengruppen mit im Wesentlichen gleichem Volumen und gleicher Geschwindigkeit bereitstellt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine thermomechanische Tropfenausstoßvorrichtung anzugeben, die für einige Tropfen einen verminderten Energieeinsatz erfordert, und damit den Gesamtenergieeinsatz zu verringern, den Aufbau von Wärme zu beherrschen und eine verbesserte Tropfenausstoß-Produktivität zu ermöglichen.
Schließlich besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, einen thermomechanischen Cantilever mit einer gedämpften Resonanzschwingung zu betreiben und dafür mit Vorteil von der Schwingungsbewegung des Thermo-Betätigungselements nach dem Ausstoß eines Tropfens für den Ausstoß des nächsten Tropfens unter Einsatz geringerer elektrischer Energie Gebrauch zu machen.
Die vorstehend beschriebenen und zahlreiche weitere Merkmale, Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden aus der hierin enthaltenen detaillierten Beschreibung, den Ansprüchen und Zeichnungen besser verständlich. Diese Merkmale, Aufgaben und Vorteile werden erreicht durch die Bereitstellung einer Tropfenausstoßvorrichtung zum Ausstoßen einer Reihe von Flüssigkeitstropfen mit im Wesentlichen gleichem Volumen und gleicher Geschwindigkeit, wobei die Tropfenausstoßvorrichtung eine mit Flüssigkeit gefüllte Kammer mit einer Düse und eine thermische Betätigungsvorrichtung aufweist, die Druck auf die Flüssigkeit an der Düse ausübt. Die thermische Betätigungsvorrichtung ist als Cantilever mit einem innerhalb der Kammer bewegbaren freien Ende ausgeführt. Die thermische Betätigungseinrichtung zeigt eine gedämpfte Resonanzschwingung mit einer Grundschwingungsdauer T_R und einer Dämpfungszeitkonstanten T_D auf. Ferner weist das Thermo-Betätigungselement ein elektrisches Widerstandsheizelement auf, das die thermische Betätigungsvorrichtung als Reaktion auf elektrische Impulse schlagartig erwärmt. Durch das plötzliche Erwärmen biegt sich die thermische Betätigungsvorrichtung, ihr freies Ende bewegt sich und übt auf die an der Düse vorhandene Flüssigkeit einen Druck aus, der ausreicht, einen Tropfen auszustoßen. Mit der Tropfen-Ausstoßvorrichtung ist eine Quelle elektrischer Impulse verbunden, und eine Steuerung empfängt Befehle für das Ausstoßen von Tropfen und bestimmt das Timing und die Parameter der an die Tropfen-Ausstoßvorrichtung angelegten elektrischen Impulse. Das Verfahren zum Betreiben der Ausstoßvorrichtung umfasst die folgenden Schritte: (a) Anlegen eines elektrischen Impulses der Energie E₀ und der Pulsdauer T_P0 an die elektrische Widerstandsheizeinrichtung, wobei T_P0 < ½T_R ist, so dass ein nominaler Tropfen ausgestoßen und eine gedämpfte Resonanzschwingung der Thermo-Betätigungseinrichtung initiiert wird. Nach (b) dem Empfang eines Befehls zum Ausstoßen eines nächsten Tropfens wird bestimmt, ob das thermische Betätigungselement ordnungsgemäß schwingt. Ist dies nicht der Fall, kehrt das Verfahren zum Schritt (a) zurück. Ist dies jedoch der Fall, wird eine Wartezeit T_w eingehalten, bis das thermische Betätigungselement sich bewegt und die Flüssigkeit in der Düse mit Druck beaufschlagt. Danach wird ein nächster elektrischer Impuls einer zweiten Energie E₂, wobei E₂ < E₀ ist, und einer zweiten Pulsdauer T_P2, wobei T_P2 < ½T_R ist, an die elektrische Widerstandsheizeinrichtung angelegt, so dass ein nächster Tropfen mit im Wesentlichen gleichem Volumen und gleicher Geschwindigkeit wie der nominale Tropfen ausgestoßen wird. Das Anlegen der Impulse verringerter Energie ist zeitlich so abgestimmt, dass dadurch die erste, zweite oder dritte Resonanzschwingung des thermischen Betätigungselements verstärkt wird. Wie stark die Energie dadurch reduziert wird, hängt zumindest von der nutzbaren Resonanzschwingung und von der Dämpfungszeitkonstanten T_D ab.
Die Erfindung eignet sich insbesondere für das Betreiben von Flüssigkeitstropfen-Ausstoßvorrichtungen zum Ausstoßen von Tintentropfen für den DOD-Tintenstrahldruck. Bei dieser Aus führungsform sind die Bilddaten als von dem gegebenen Strahl zu druckende Pixelserien mit zahlreichen Clustern benachbarter Pixel organisiert. Daher eignen sich viele Tropfenausstoßvorgänge für das Anlegen von Impulsen mit verringerter Energie.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Tintenstrahlsystems;
2 eine Draufsicht einer Anordnung von erfindungsgemäßen Tintenstrahleinheiten oder Tropfenausstoßeinheiten;
3 eine vergrößerte Draufsicht einer der in 2 dargestellten Tintenstrahleinheiten;
4 eine Seitenansicht einer der in 2 und 3 dargestellten Tintenstrahleinheiten, in der die Bewegung der thermischen Betätigungsvorrichtung zum Ausstoßen von Tropfen zu erkennen ist;
5 zeigt die gedämpfte Resonanzschwingung eines erfindungsgemäßen Thermo-Betätigungselements;
6 gibt die für das Resonanzschwingungsverhalten eines Thermo-Betätigungselements wichtigen geometrischen Parameter und die Versuchsergebnisse für die Grundresonanzperioden und die Dämpfungszeitkonstanten für verschiedene Versuchsausbildungen von Thermo-Betätigungselementen wieder;
7 zeigt die erfindungsgemäße Funktion in Bezug auf die Bewegung des Thermo-Betätigungselements zum Ausstoßen einer Serie von zwei Tropfen;
8 zeigt zwei Alternativen zur Energieverringerung beim erfindungsgemäßen Ausstoßen einer Serie von zwei Tropfen;
9 zeigt die erfindungsgemäße Funktion in Bezug auf die Bewegung des Thermo-Betätigungselements zum Ausstoßen einer Serie von drei Tropfen;
10 zeigt ein Flussdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
11 zeigt die Anwendung eines Tropfenausstoß-Taktsignals bei der Durchführung einer Ausführungsform der Erfindung; und
12 zeigt die Synchronisation von Tropfenausstoßbefehlen, elektrischen Impulsen für die Aktivierung des Thermo-Betätigungselements und die Bewegung des freien Endes des Thermo-Betätigungselements für eine Reihe von Tropfenausstoßvorgängen.
Wie im Folgenden im Detail beschrieben wird, stellt die Erfindung eine Vorrichtung für den DOD-Flüssigkeitsausstoß und Verfahren zu deren Betätigung bereit. Die bekanntesten dieser Vorrichtungen sind als Druckköpfe in Tintenstrahldrucksystemen im Einsatz. Derzeit entwickeln sich jedoch zahlreiche Anwendungen, die mit Tintenstrahldruckköpfen ähnlichen Vorrichtungen arbeiten, jedoch keine Tinten, sondern andere Flüssigkeiten verwenden, die fein dosiert und mit großer räumlicher Präzision platziert werden müssen. In dieser Beschreibung werden die Begriffe "Tintenstrahl-" und "Tropfenausstoß"-vorrichtung austauschbar verwendet. Die nachstehend beschriebenen Erfindungen stellen Vorrichtungen und Verfahren zum Betreiben von Tropfenausstoßvorrichtungen auf der Basis thermomechanischer Betätigungselemente bereit, die die Energieeffizienz verbessern und die Tropfenausstoß-Produktivität insgesamt steigern sollen.
1 zeigt zunächst eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäß betreibbaren Tintenstrahldrucksystems. Das System umfasst eine Bilddatenquelle 400, deren Signale von einer Steuerung 300 als Befehle für das Drucken von Tropfen empfangen werden. Die Steuerung 300 ihrerseits führt die in den folgenden Absätzen noch zu beschreibenden Feststellungen und Berechnungen durch. Die Steuerung 300 führt einer Quelle elektrischer Impulse 200 Signale zu, und die Impulsquelle 200 ihrerseits erzeugt ein elektrisches Spannungssignal, bestehend aus elektrischen Energieimpulsen, die mit den einzelnen thermomechanischen Betätigungselementen 20 im Tintenstrahldruckkopf 100 verbundenen elektrischen Widerstandsheizelementen zuge führt werden. Die elektrischen Energieimpulse führen dazu, dass sich ein thermomechanisches Betätigungselement 20 (im Folgenden auch "thermische Betätigungsvorrichtung genannt") rasch biegt, dadurch Druck auf an der Düse 30 befindliche Tinte 60 ausübt und einen Tintentropfen 50 ausstößt. Die Erfindung bewirkt den Ausstoß von Tropfen im Wesentlichen gleichen Volumens und gleicher Geschwindigkeit, d.h. mit einem Volumen und einer Geschwindigkeit innerhalb einer Toleranz von +/– 20% gegenüber einem Nominalwert. Manche Tropfenausstoßvorrichtungen stoßen einen Haupttropfen und sehr kleine nachlaufende Tropfen, so genannte Satellitentropfen, aus. Die Erfindung geht davon aus, dass diese Satellitentropfen als Teil des Haupttropfens anzusehen sind, der im Sinne der Erfindung insgesamt, d.h. zum Drucken eines Bildpixels oder für die Mikrodosierung einer Flüssigkeitsmenge, ausgestoßen wird.
2 zeigt eine Draufsicht eines Teils eines Tintenstrahldruckkopfs 100. Dargestellt ist eine Anordnung thermisch betätigter Tintenstrahleinheiten 110 mit zentral ausgerichteten Düsen 30 und in zwei Reihen versetzt angeordneten Tintenkammern 12. Die Tintenstrahleinheiten 110 sind mittels mikroelektronischer Fertigungsverfahren auf und in einem Substrat 10 ausgebildet.
Jeder Tropfenausstoßeinheit 110 sind elektrisch leitende Kontakte 42, 44 zugeordnet, die mit einem in 2 gestrichelt angedeuteten U-förmigen elektrischen Widerstandsheizelement 22 ausgebildet oder elektrisch verbunden sind. Bei der dargestellten Ausführungsform besteht der Widerstand 22 aus einer Schicht des thermischen Betätigungselements 20 und trägt zu den im Folgenden noch zu beschreibenden thermomechanischen Effekten bei. Das Element 80 des Druckkopfs 100 besteht aus einer eine Befestigungsfläche für das mikroelektronische Substrat 10 bildenden Struktur und anderen Verbindungsmitteln für die Flüssigkeitszufuhr, die elektrischen Signale sowie die mechanischen Verbindungen.
3a zeigt eine Draufsicht einer einzelnen Tropfenausstoßeinheit 110, während 3b eine zweite Draufsicht zeigt, in der die Abdeckung 28 der Flüssigkeitskammer mit der Düse 30 abgenommen ist.
Das in 3a gestrichelt dargestellte thermische Betätigungselement 20 ist in 3b in voll ausgezogenen Linien wiedergegeben. Der Auslegerabschnitt 20a des thermischen Betätigungselements 20 ragt vom Rand 14 der im Substrat 10 ausgebildeten Flüssigkeitskammer 12 vor. Der Abschnitt 20b des Betätigungselements ist fest mit dem Substrat 10 verbunden und bildet die Verankerung für den Ausleger.
Der Auslegerabschnitt 20a hat die Form eines Paddels, dessen lang gestreckter flacher Schaft in einer Scheibe 20c endet, deren Durchmesser größer ist als die Breite des Schafts. Diese Form ist nur ein Beispiel für mögliche Cantilever-Betätigungselemente; viele anderen Formen sind ebenfalls möglich. Durch die Paddel-Form wird die Düse 30 mit dem Mittelpunkt des freien Endes 20c des Betätigungselements ausgerichtet. Die Flüssigkeitskammer 12 weist bei 16 einen gewölbten Wandungsteil auf, der sich der Krümmung des freien Endes 20c des Betätigungselements anpasst, zu dieser aber einen Abstand aufweist, der Freiraum für die Bewegung des Betätigungselements schafft.
In 3b ist die Verbindung der Quelle 200 der elektrischen Impulse mit dem Heizelement 22 an den Anschlusspunkten 42 und 44 dargestellt. Zur Erwärmung über den U-förmigen Widerstand 22 werden den Anschlusspunkten 42 und 44 Differenzspannungen zugeführt. Dies ist allgemein durch den einen Strom I repräsentierenden Pfeil angedeutet. In den Draufsichten der 3 bewegt sich das freie Ende 20c des Betätigungselements bei Impulsgabe auf den Betrachter zu, und von der Düse 30 in der Abdeckung 28 werden Tropfen in Richtung des Betrachters ausgestoßen. Diese Geometrie der Betätigung und des Tropfenausstoßes wird in zahlreichen Veröffentlichungen über Tintenstrahlsysteme als "roof shooter"-Vorrichtung bezeichnet.
4 zeigt eine Seitenansicht entlang der Schnittlinie A-A der Tintenstrahleinheit 110 in 3. In 4a ist das thermische Betätigungselement 20 im Ruhezustand dargestellt. In 4b ist das Betätigungselement als Reaktion auf eine thermische Erwärmung durch den Widerstand 22 gebogen.
In 4c ist das Betätigungselement in der über die Ruheposition hinausgehenden Rückstellposition nach Beendigung des Aufheizvorgangs und nach dem schnellen Abkühlen dargestellt.
Bei einer praktisch eingesetzten Ausleger-Betätigungsvorrichtung gemäß der Darstellung kann der Ausleger in der Ruheposition statt der in 4a dargestellten horizontalen Stellung auch eine gebogene Stellung einnehmen. Dabei kann die Betätigungsvorrichtung bei Raumtemperatur wegen der inneren Spannungen, die nach einer oder mehreren mikroelektronischen Bewegungs- oder Rückstellvorgängen zurückbleiben, aufwärts oder abwärts gebogen sein. Die Vorrichtung wird gegebenenfalls aus vielerlei Gründen, unter anderem wegen der thermischen Auslegung und der besonderen Tinteneigenschaften, auch bei höheren Temperaturen betrieben. In diesem Fall ist die Vorrichtung in ihrem Ruhezustand unter Umständen so stark gebogen, wie dies in 4b dargestellt ist. Und es kann sein, dass das Betätigungselement bei wiederholter Betätigung nicht völlig auskühlt und dadurch im Ruhezustand aufwärts gebogen bleibt.
Im Sinne der folgenden Beschreibung wird davon ausgegangen, dass das Betätigungselement "im Ruhezustand" ist, wenn es sich nicht mehr wesentlich bewegt. Zum besseren Verständnis ist die Ruheposition in 4 horizontal dargestellt, während Bewegungskurven des Betätigungselements in 5, 7, 8, 9, 11 und 12 die Schwingungen durch den Nullpunkt wiedergeben. Die Funktion thermischer Betätigungsvorrichtungen, die eine gedämpfte Resonanzschwingung um einen gebogenen Ruhezustand herum aufweisen, ist aber bekannt und von den Erfindern in vollem Umfang ins Auge gefasst.
Das abgebildete Betätigungselement 20 besteht aus den Elementen 22, 24 und 26. Der Widerstand 22 besteht aus einem elektroresistiven Material mit einem relativ großen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Die Deckschicht 24 ist elektrisch isolierend, gegenüber der Arbeitsflüssigkeit chemisch inert und weist einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten auf als das elektroresistive Material des Widerstands 22. Die Passivierungsschicht 26 besteht aus einer dünnen, gegenüber der Arbeitsflüssigkeit 60 inerten Materialschicht und dient dazu, den Heizwiderstand 22 gegen chemischen und elektrischen Kontakt mit der Arbeitsflüssigkeit 60 zu schützen.
Wird ein elektrischer Impuls an den Heizwiderstand 22 angelegt, steigt dessen Temperatur, und er dehnt sich in der Länge aus. Die Deckschicht 24 dehnt sich aber nicht im selben Maße aus, wodurch sich das mehrschichtige Betätigungselement 20 aufwärts biegt. Bei dieser Konstruktion wirken beim Biegeeffekt sowohl der Unterschied zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Elemente 22 und 24 als auch eine momentane Temperaturdifferenz zusammen. Der elektrische Impuls und der Biegeeffekt müssen schnell genug erfolgen, um Druck auf die in 4a allgemein mit 12c bezeichnete Flüssigkeit an der Düse 30 auszuüben. Normalerweise verwendet man hierzu eine elektrische Impulsdauer von unter 10 μsek., vorzugsweise eine Dauer unter 4 μsek.
Aufgrund des Temperaturausgleichs zwischen den Elementen 22 und 24 durch die Übertragung von Wärme an die Arbeitsflüssigkeit und das Substrat 10 und wegen der in den Elementen 22 und 24 aufgebauten mechanischen Rückstellkräfte entspannt sich das thermische Betätigungselement 20 dann wieder rasch aus der in 4b dargestellten Position. Dabei schießt das sich entspannende thermische Betätigungselement 20 über die Ruheposition hinaus und biegt sich, wie in 4c dargestellt, abwärts. Das Betätigungselement 20 "schwingt" in einer Resonanzschwingungsbewegung weiter, bis Dämpfungsmechanismen, etwa die innere Reibung und der Widerstand der Arbeitsflüssigkeit, die gesamte mechanische Energie aufgebraucht und in Wärme umgewandelt haben.
Wenn für die Anwendung gleichmäßige Tropfenvolumina und Tropfengeschwindigkeiten wichtig sind, müssen die vorstehend beschriebenen gedämpften Resonanzschwingungseffekte bei der Auslegung des Betriebsverfahrens berücksichtigt werden. Ein Ausstoß von Tropfen zu willkürlichen Zeitpunkten während der Resonanzschwingungen kann zu unannehmbaren Schwankungen der Tropfenvolumina und Tropfengeschwindigkeit führen. Die Erfindung macht mit Vorteil Gebrauch von gedämpften Resonanzschwingungen, indem sie für ein zweckmäßiges Timing und die zweckmäßige Anpassung der elektrischen Impulsenergien sorgt.
In 5 ist die gedämpfte Resonanzschwingung des freien Endes eines sich in einer Grundschwingungsart bewegenden Cantilver-Betätigungselements dargestellt. Die Bewegung des freien Endes X(t) ist gemäß Gleichung 1 als Funktion der Zeit dargestellt: X(t) = sin (2πt/TR) exp(–t/TD) (1)wobei T_R die Periode der Grund-Resonanzschwingungsart und T_D die Zeitkonstante dämpfender Faktoren ist. Die größte Bewegungslänge ist auf 1,0 normalisiert. Die Zeitachse in 5 ist in T_R-Einheiten unterteilt. Die Kurven 220, 222, und 224 geben gedämpfte Resonanzschwingungen (Gleichung 1) wieder, die alle dieselbe Resonanzperiode T_R, jedoch unterschiedliche Dämpfungszeitkonstanten T_D = 0,75T_R, 1,0T_R, bzw. 1,25T_R aufweisen. Die Kurve 226 gibt den exponentiellen Dämpfungsanteil der Gleichung 1 für die Kurve 224 wieder. Die Kurve 228 gibt den elektrischen Impuls wieder, der die thermomechanischen Betätigungsele mente ursprünglich aktiviert hat. Um eine maximale Energieeffizienz zu erreichen, sollte die Impulsdauer T_P des Aktivierungsimpulses kürzer sein als die halbe Resonanzperiode, d.h. T_P < ½T_R, vorzugsweise T_P < ¼T_R.
In 6 sind die geometrischen Parameter des Betätigungselements für Tropfenausstoßvorrichtungen der in 2–4 gezeigten Konstruktion dargestellt. Die Tabelle der 6 enthält die Ergebnisse mehrerer experimenteller thermomechanischer Betätigungselemente der Paddel-Form. Dabei wurden Betätigungselemente unterschiedlicher Breiten W, Cantileter-Schaftlängen L und Durchmesser D des freien Endes in Verbindung mit Tropfenausstoßvorrichtungen betrieben, die mit Wasser gefüllt waren. Die Tabelle gemäß 6 gibt die experimentell ermittelte Grundresonanzfrequenz F, die Resonanzperiode T_R und die Dämpfungszeitkonstante T_D der getesteten Ausbildungsformen wieder. Zum einfachen Vergleich mit den Kurven des gedämpften Oszillators gemäß 5 wird das Verhältnis T_D/T_R berechnet. Im Allgemeinen zeigten die experimentellen Thermo-Betätigungselemente Dämpfungszeitkonstanten im Bereich von T_D/T_R= 0,75 – siehe Kurve 220 in 5.
Die Resonanzfrequenz T_R und die Dämpfungszeitkonstanten T_D werden durch zahlreiche Parameter der Konstruktion des Thermo-Betätigungselements selbst, der Kammerwandabstände und mancher Flüssigkeitseigenschaften, besonders der Dichte und Viskosität der Flüssigkeit, beeinflusst. Erfindungsgemäß betriebene Tropfenausstoßvorrichtungen weisen am häufigsten Dämpfungszeitkonstanten im Bereich von T_D = 0,5T_R bis 1,5T_R.auf.
Erfindungsgemäß werden Tropfen durch Anlegen zweier Arten elektrischer Impulse, nämlich (1) mit nominaler oder (2) mit verringerter Energie, ausgestoßen.
Für den Ausstoß von Tropfen eines vorgegebenen nominalen Volumens und einer vorgegebenen nominalen Geschwindigkeit wählt man für die Betriebsflüssigkeit und die Anforderungen der Anwendung eine nominale Impulsdauer E₀, eine nominale Impulsdauer T_P0, und eine nominale Maximalspannung V₀ aus. Bei im Ruhezustand befindlichem Thermo-Betätigungselement werden zum Ausstoß von Tropfen nominale Impulse angelegt. Bei Tintenstrahl-Druckanwendungen befindet sich das Betätigungselement zwischen den Bildern, bei Schlitten-Druckern am Ende der Abtastzeilen und während der verschiedenen weißen Bereiche im Bild im Ruhezustand. Infolgedessen handelt es sich bei vielen der in einer Tintenstrahlanwendung ausgelösten Tropfen um erste Tropfen (Anfangstropfen) nach einer Tropfenanforderungspause. Die elektrischen Impulse nominaler Energie und Impulsdauer werden durch die Steuerung 300 für den Ausstoß dieser Tropfen ausgewählt.
Nach dem Ausstoß eines ersten Tropfens befindet sich das Thermo- Betätigungselement in einer gedämpften Resonanzschwingung – siehe 5. Bei Anforderung eines nächsten Tropfens während der Zeit, in der sich das Betätigungselement noch in einer wesentlichen Schwingung befindet, kann diese Resonanzschwingung durch einen Impuls verminderter Energie ergänzt werden, um den Ausstoß des angeforderten zweiten Tropfens zu bewirken. Je nach dem Zeitpunkt der Anforderung des zweiten Tropfens und der Dämpfungszeitkonstante kann eine nützliche Energieeinsparung dadurch erzielt werden, dass der nächste Tropfen synchron mit der ersten, zweiten oder dritten positiven Bewegung des Betätigungselements nach dem Ausstoß des ersten Tropfens ausgestoßen wird. Sofern die Betätigungselemente ausreichend lange Dämpfungszeitkonstanten aufweisen, ist auch die vierte oder fünfte Schwingungsperiode nützlich. Eine zu geringe Dämpfung des Betätigungselements bringt jedoch die Gefahr mit sich, dass die erste Schwingung das Tropfen der Düse oder den Austritt unerwünschter Tropfen bewirken könnte.
In 7 ist die Bewegung des freien Endes eines Thermo-Betätigungselements beim Ausstoß einer Serie von zwei Tropfen dargestellt. Dabei wird der erste Tropfen durch Anlegen eines Impulses nominaler Energie an ein im Ruhezustand befindliches Betätigungselement ausgestoßen. Anschließend wir ein zweiter Tropfen ausgestoßen, indem man Impulse verringerter Energie so synchronisiert, dass sie die durch den ersten Impuls ausgelösten Resonanzschwingungen des Betätigungselements verstärken. In 7a ist die Synchronisation mit der ersten Resonanzschwingung, in 7b mit der zweiten und in 7c mit der dritten Resonanzschwingung dargestellt. Bei den Beispielen der 7 wird eine Dämpfungszeitkonstante T_D = 1,0T_R verwendet.
Das Ausmaß der Energiereduzierung wird durch die relativen Höhen der in 7 dargestellten Impulse verringerter Energie wiedergegeben. Sämtliche elektrischen Impulse haben dieselbe Impulsdauer T_P wie der nominale Impuls, d.h. T_P = T_P0. Bei den Beispielen der 7 wird die Energiereduzierung durch maximale Spannungsverringerung erreicht. Bei der darge stellten Dämpfungszeitkonstanten wird eine Energieverringerung von etwa 37%, 14% und 5% ermöglicht, wenn die Synchronisation mit der ersten, zweiten bzw. dritten Resonanzschwingung erfolgt. Bei kürzerer Dämpfungszeitkonstante würde bei jeder möglichen Schwingung weniger Energie eingespart. Allerdings kann auch dann noch eine Anpassung der Impulsenergie sinnvoll sein, um einen gleichmäßigen Tropfenausstoß bezüglich Volumen und Geschwindigkeit aufrecht zu erhalten. Statt durch maximale Spannungsverringerung oder zusammen mit dieser kann die Energieverringerung auch durch eine Verkürzung der Impulsdauer erreicht werden. Dies ist in 8 dargestellt. Bei diesem Beispiel wird ein zweiter Tropfen mittels eines Impulses verringerter Energie ausgestoßen, der synchron mit der zweiten Resonanzschwingung des Thermo-Betätigungselements angelegt wird. Die Kurve 242 in 8 gibt die Bewegung des freien Endes wieder. Das Signal 244 in 8 entspricht einem Verfahren mit verringerter Spannung, das Signal 246 in 8 entspricht einem Verfahren mit reduzierter Impulsdauer zum Erzeugen der Bewegung des Betätigungselements für den Ausstoß von zwei Tropfen.
In 9 ist die Bewegung 248 des Betätigungselements für den Ausstoß einer Folge von drei Tropfen dargestellt. Dabei wird ein erster Tropfen durch Anlegen eines Impulses nominaler Energie (Signal 250) ausgestoßen. Anschließend wird synchron mit der ersten Resonanzschwingung ein Impuls verringerter Energie angelegt (Verfahren mit verringerter Spannung). Dieser zweite Impuls erregt erneut die Resonanzschwingung und bewirkt den Ausstoß des zweiten Tropfens. Synchron mit der ersten Resonanzschwingung nach dem Ausstoß des zweiten Tropfens wird dann ein dritter Impuls verringerter Energie angelegt, der den Ausstoß eines dritten Tropfens bewirkt.
Bei der hierin beschriebenen Betätigung eines resonanten Thermo-Betätigungselements sollten die angelegten elektrischen Impulse vorzugsweise eine Impulsdauer T_P von weniger als der halben Periode der Grund-Resonanzdauer T_R aufweisen. Längere Impulse könnten die Resonanzschwingung stören und Energie verschwenden. Die Verstärkungsimpulse verringerter Energie sollten angelegt werden, während sich das Betätigungselement bewegt, um Druck auf die Tinte an der Düse auszuüben. Dies wird am besten erreicht, wenn der Impuls verringerter Energie vollständig innerhalb der Zeit auftritt, in der das Betätigungselement sich zwischen dem "unteren Totpunkt" und dem "oberen Totpunkt" seiner Bahn bewegt. Um eine zuverlässigere Synchronisation zu erreichen, ist daher eine Impulsdauer T_P < ¼T_R bevorzugt.
Die optimale Dauer für das Anlegen von Impulsen verringerter Energie ist abhängig von der Resonanzperiode T_R und der Dauer der vorausgehenden elektrischen Impulse. Bei relativ kurzen elektrischen Impulsen, verglichen mit der Resonanzperiode, bewegt sich das schwingende Betätigungselement zu den Zeitpunkten t_n ~ (n – ¼)T_R durch die Bewegungslinie Null in Richtung der Düse, wobei n = 1, 2 oder 3 für die erste, zweite und dritte Schwingung steht. Das Verfahren, bei dem zeitlich zu den Zeitpunkten t_n zentrierte Impulse mit verringerter Energie und einer Impulsdauer T_P < ¼T_R angelegt werden, stellt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dar.
Die Erfindung kann mit Unterstützung der Steuerung 300 durchgeführt werden. Die Steuerung 300 umfasst eine Taktgebereinrichtung, Speichermittel und Rechnermittel zum Bestimmen, ob ein Thermo-Betätigungselement ausreichend schwingt, damit ein elektrischer Impuls verringerter Energie angewandt werden kann. Außerdem weist die Steuerung 300 Mittel auf, mit denen die Parameter etwaiger Impulse reduzierter Energie bestimmt werden können, die angelegt werden sollen, um einen angeforderten Tropfen d_i einer Tropfenserie auszustoßen. Das heißt, die Steuerung 300 weist Mittel zum Bestimmen der Energie E_i, der Maximalspannung V_i und der Impulsdauer T_Pi für den zum Ausstoß des Tropfens d_i anzulegenden elektrischen Impuls auf.
10 zeigt ein Flussdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Form eines Flüssigkeitstropfen-Ausstoßsystems der in 1–4 dargestellten Art. Das Flüssigkeitstropfen-Ausstoßsystem weist mindestens eine Tropfenausstoßeinheit 110 mit einem Tropfenausstoßkopf 100 und einer Steuerung 300 sowie eine Quelle elektrischer Impulse 200 auf. Die in 10 schematisch dargestellte Ausführungsform beginnt mit dem Schritt 600, wo an ein einem Thermo-Betätigungselement zugeordnetes elektrisches Widerstandsheizelement ein nominaler elektrischer Impuls mit einer nominalen Energie E₀ und einer nominalen Impulsdauer T_P0 angelegt wird, wobei T_P0 < ½T_R, vorzugsweise T_P0 < ¼T_R ist, wodurch ein nominaler Tropfen ausgestoßen wir und eine gedämpfte Resonanzschwingung des Thermo-Betätigungselement mit einer Periode T_R und einer Dämpfungszeitkonstanten T_D ausgelöst wird.
Im nächsten Schritt 610 der in 10 dargestellten Ausführungsform wird ein Befehl zum Ausstoßen eines nächsten Tropfens empfangen. Bei einem Tintenstrahldrucksystem wird dieser Befehl der Steuerung 300 durch eine Bilddatenquelle 400 übermittelt. Bei anderen DOD-Anwendungen kann der Befehl von einem Mikrozuführsystem oder dergleichen kommen.
Nach dem Empfang eines Tropfenausstoßbefehls führt die Steuerung 300 den Schritt 620 aus, in dem bestimmt wird, of der Thermo-Oszillator ordnungsgemäß schwingt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Zeitspanne seit Anlegen des letzten elektrischen Impulses mit 4T_D verglichen. Wenn eine längere Zeit als 4T_D vergangen ist, ist die Restamplitude der Bewegung des freien Endes geringer als 2 %, so dass beim nächsten Impuls nicht sehr viel Energie eingespart werden kann. In diesem Fall wird festgestellt, dass der Wert der Restschwingung für eine Reduzierung der Energie nicht ausreicht. Allerdings kann, wie bereits an anderer Stelle beschrieben, bei einer alternativen Ausführungsform selbst bei einer derartig kleinen Restschwingung eine Reduzierung der Energie erfolgen, um ein optimales Tropfenvolumen und eine gleichmäßige Tropfengeschwindigkeit zu erreichen. Wenn aufgrund der vorgegebenen Kriterien festgestellt wird, dass die Restschwingungen für eine Reduzierung der Energie nicht ausreichen, kehrt die Ausführungsform gemäß 10 zu dem bereits weiter oben beschriebenen Schritt 600 zurück.
Wenn stattdessen im Schritt 620 festgestellt wird, dass das Thermo-Betätigungselement ordnungsgemäß schwingt, wird der Schritt 630 ausgeführt. Der Schritt 630 beinhaltet eine Wartezeit, durch die erreicht wird, dass zur Verstärkung einer der Resonanzschwingungen des Thermo-Betätigungselements das Anlegen eines Impulses verringerter Energie mit einem entsprechenden Zeitpunkt synchronisiert wird. Welche Resonanzschwingung dafür genutzt werden kann, ist abhängig von der Auslegung des Verfahrens und von dem Zeitpunkt, zu dem der Tropfenausstoßbefehl relativ zum letzten vorausgehenden Tropfenausstoß empfangen wurde. Zum Beispiel kann ein Befehl zum Ausstoßen eines nächsten Tropfens unmittelbar nach dem Ausstoß des vorhergehenden Tropfens empfangen werden, das Verfahren aber so ausgelegt sein, dass aus Gründen des Timings des gesamten Systems, des Flüssigkeitsnachfüllvorgangs in der Tropfenausstoßkammer, der Wärmeableitung oder aus anderen Gründen Impulse verringerter Energie mit der zweiten Resonanzschwingung des Thermo-Betätigungselements synchronisiert werden sollen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Wartezeit so angelegt, dass die Mitte des Impulses verringerter Energie mit einem Zeitpunkt t_n = (n – ¼)T_R nach Initiierung des vorausgehenden elektrischen Impulses zusammenfällt, wobei n = 1, 2 oder 3 ist.
Nach Ablauf der im Schritt 630 vorgesehenen Wartezeit wird Schritt 640 ausgeführt. Im Schritt 640 wird an das elektrische Widerstandsheizelement ein Impuls verringerter Energie mit einer Energie E₂ < E₀ und einer Impulsdauer T_P2 < ½T_R angelegt, so dass ein nächster Tropfen mit im Wesentlichen demselben Volumen und derselben Geschwindigkeit, wie sie der nominale Tropfen aufweist, ausgestoßen wird.
Die Steuerung 300 bestimmt die Parameter des Impulses verringerter Energie entsprechend den Vorgaben des betreffenden Verfahrens. Zum Beispiel kann eine verringerte Spannung oder eine verringerte Impulsdauer oder eine Kombination beider Maßnahmen zur Reduzierung der Impulsenergie verwendet werden. Ferner hängt das Ausmaß der Energiereduzierung davon ab, welche Resonanzschwingung des Thermo-Betätigungselements verstärkt werden soll, und ist auch abhängig von der herrschenden Dämpfungszeitkonstanten.
Nach dem Anlegen des nächsten elektrischen Impulses im Schritt 640 kehrt die Ausführungsform gemäß 10 zum Schritt 610 zurück und wartet auf den Empfang des nächsten Tropfenausstoßbefehls.
Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung wird ein Tropfenausstoßtakt mit einer Tropfenausstoßperiode T_C festgelegt, die auf der Resonanzschwingungsperiode T_C = T_R der Thermo-Betätigungselemente einer Tropfenausstoßvorrichtung basiert. Bei mehreren Tropfenausstoßeinheiten muss jede von ihnen eine ähnliche Resonanzschwingungs-Grundperiode aufweisen. Mittels eines gemeinsamen Tropfenausstoß-Taktsignals werden dann die Signale ausreichend synchron zu den Resonanzen aller Tropfenausstoßvorrichtungen zugeführt.
Der durch eine Steuerung erzeugte Tropfenausstoßtakt synchronisiert sämtliche Tropfenausstoßvorgänge. Jede Tropfenausstoßeinheit darf je Taktperiode, also je Resozanzperiode T_R der Grundresonanz der Thermo-Betätigungselemente, bis zu 1 Tropfen ausstoßen. Die Tropfenausstoßbefehle werden gespeichert und für den Tropfenausstoß während einer entsprechenden Tropfenausstoß-Taktperiode bereitgehalten. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Abgabe von Tropfen in Abhängigkeit von Eigenschaften des Anwendungssystems und anderer Faktoren, etwa dem Zeitpunkt der Flüssigkeitsnachfüllung, so geplant werden, dass der Tropfenausstoß während jeder ersten, zweiten oder dritten Tropfenausstoß-Taktperiode erfolgt. Eine gestrecktere Tropfenausstoßplanung wird vermutlich eher geringere Chancen für größere Energieeinsparungen, die ja ein wichtiges Ziel der Erfindung sind, bieten.
In 11 ist ein Beispiel eines Tropfenausstoß-Taktsignals 210 in einer Bewegungskurve 214 eines repräsentativen gedämpften Resonanzoszillators für ein Thermo-Betätigungselement der Tropfenausstoßvorrichtung dargestellt. Die Zeitachse ist in T_R-Einheiten, Perioden der Grundresonanzschwingung und Taktperioden T_C aufgetragen. Der Tropfenausstoßtakt ist eine Rechteckwelle mit Übergängen von einem logischen Zustand 1 (hoch) zu einem logischen Zustand 0 (niedrig) je Zeitschritt T_C.
Betrachtet man die zeitliche Synchronisation zwischen dem Tropfenausstoßtakt 210 und der repräsentativen Bewegungskurve 214 des Thermo-Betätigungselements in 11, so erkennt man, dass der logische Übergang von "hoch" zu "niedrig" (210b) mit dem "unteren Totpunkt" der Bewegungsschwingung (214b) zusammenfällt. Wie bereits erwähnt wurde, sollten die Impulse verringerter Energie während der Zeit angelegt werden, in der sich ein schwingendes Betätigungselement von seinem "unteren Totpunkt" (214b) zu seinem "oberen Totpunkt" (214a) bewegt und die Flüssigkeit an der Düse unter Druck setzt. Daher kann der Übergang 210b von "hoch" zu "niedrig" als Beginn des Zeitfensters dienen, in dem ein elektrischer Impuls für den Ausstoß eines Tropfens angelegt werden kann. Alle Impulse, die nominalen und jene mit verringerter Energie, werden während des Abschnitts "logisch null" 210c des Tropfenausstoßtakts angelegt.
Das genaue Timing des Anlegens der elektrischen Impulse kann dadurch geregelt werden, dass man das Anlegen um eine optimierte Zeit, die Pulsverzögerungszeit T_PD, nach dem logischen Übergang 210b verzögert. Die Impulsverzögerungszeit T_PD kann auf der Grundlage von Leistungsmerkmalen der Tropfenausstoßvorrichtung vorgegeben oder während des Betriebes durch eine Steuerung geregelt werden. Die Regelung von T_PD während des Betriebes kann auf Feedback-Informationen über die Systemfunktion, Umweltfaktoren, Eigenschaften der Arbeitsflüssigkeit und dergleichen basieren. Einige elektrische Impulse, die an eine Tropfenausstoßvor richtung angelegt werden, sind beispielhaft durch das Spannungssignal 212 dargestellt. Während der Ausstoßtaktperiode 2 ist ein nominaler Energieimpuls 212a, während der Ausstoßtaktperiode 3 ein unmittelbar darauf folgender Impuls 212b verringerter Energie angedeutet. Gemäß der Darstellung wurden beide Impulse nach einem Taktübergang von "hoch" zu "niedrig" und einer zusätzlichen Zeitverzögerung T_PD angelegt.
In 12 ist die Arbeitsweise jener Ausführungsformen der Erfindung dargestellt, die mit einem Tropfenausstoßtakt arbeiten. Auf einer Zeitachse mit Einheiten T_R der Grundresonanzperiode des Thermo- Betätigungselements sind Ereignisse, Signale und die Bewegung des freien Endes eines repräsentativen Thermo-Betätigungselements aufgetragen. Dabei wurden für gleiche Funktionen wie in 11 dieselben Bezugsziffern verwendet. Die Möglichkeit des Empfangs eines Tropfenbefehls ist durch leere Punkte symbolisiert, die mit den logischen Zuständen "hoch" des Tropfenausstoß-Taktsignals 210 ausgerichtet sind. Ausgefüllte Tropfen symbolisieren dem Empfang eines Befehls zum Ausstoßen eines Tropfens.
Während des nächsten logischen Zustands "niedrig" des Tropfenausstoßtakts nach Empfang eines Befehls für den Ausstoß von Tropfen werden elektrische Impulse 212 an das elektrische Widerstandsheizelement angelegt. Bei den Impulsen 212e, 212g und 212h handelt es sich um Impulse verringerter Energie, die den vorherigen Impulsen zeitlich so dicht folgen, dass sie Resonanzschwingungen mit Vorteil nutzen können. Für die Impulse 212g und 212h ist eine höhere Energieeinsparung angegeben als für die Impulse 212e, weil die erstgenannten Impulse (212g und 212h) mit ersten Resonanzschwingungen synchronisiert sind, während der letztgenannte Impuls (212e) mit einer zweiten Resonanzschwingung synchronisiert ist.
Die Kurve 214 gibt die Bewegung des freien Endes des Thermo-Betätigungselements als Reaktion auf das Spannungspulssignal 212 wieder. Bei diesem Beispiel ist die Dämpfungszeitkonstante des Oszillators T_D = 0,75T_R.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird die Tropfenausstoßvorrichtung so betrieben, dass sie Tropfengruppen, insbesondere Gruppen von einem, zwei oder drei Tropfen, ausstößt. Der Ausstoß von Tropfengruppen ist im Tintenstrahldruck nützlich, um bei Bildern sehr hoher Qualität Druckdichtestufen bei gleichzeitiger Reduzierung der Bilddatenspei cher- und Übertragungsanforderungen realisieren zu können. Zum Beispiel kann ein Tropfenausstoßverfahren, das den Ausstoß eines, zweier oder dreier Tropfen gestattet, vier Druckdichtestufen mit nur zwei binären Bilddatenbits erzeugen. Damit ermöglicht der gruppenweise Ausstoß von Tropfen Einsparungen bei der Datenspeicherung und der Datenhandhabung im System um einen Faktor 2, wobei jeder Tropfenausstoß als eigene binäre Entscheidung behandelt wird. Auch Anwendungen mit Mikrozuführung können in gleicher Weise von den Vorteilen der Datenkompression der mit Tropfengruppen arbeitenden Verfahren profitieren.
In der Praxis ist die Arbeitsweise einer erfindungsgemäßen Tropfenausstoßvorrichtung beim Ausstoß von Tropfengruppen den zuvor besprochenen Tropfenausstoßverfahren ähnlich. In den meisten Fällen werden die Anwendungen relativ lange Ruhezeiten zwischen dem Ausstoß von Tropfengruppen erfordern. Der erste Impuls der Gruppe ist also ein Impuls nominaler Energie, während eventuelle nachfolgende Impulse der Gruppe basierend auf denselben Faktoren des Schwingungstimings und der Dämpfungszeitkonstanten, wie sie vorstehend besprochen wurden, bezüglich der Energie vermindert werden.
Das hier beschriebene Verfahren zum Ausstoßen von Tropfengruppen unterscheidet sich deutlich von bekannten Verfahren, bei denen einzelne Tropfen unterschiedlichen Volumens oder Tropfen unterschiedlicher Geschwindigkeit erzeugt werden, um das Verschmelzen der Tropfen im Fluge oder auf dem Empfangsmedium zu bewirken. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Tropfen mit im Wesentlichen gleichen Volumen und gleicher Geschwindigkeit ausgestoßen, so dass sie nicht im Fluge miteinander verschmelzen und das Empfangsmedium auch nicht zum selben Zeitpunkt erreichen. Eine solche Funktionsweise ermöglicht die Anwendung von Impulsen verringerter Energie, wodurch Abwärme-Schwierigkeiten verringert und die Tropfenausstoß-Gesamtproduktivität verbessert werden.
Ferner treffen die einzelnen Tropfen einer Gruppe bei Druckanwendungen an unterschiedlichen Punkten auf dem Bildempfangsmedium auf, was eine gewisse zusätzliche Steuerung der optischen Dichte durch das Timing von aus zwei Tropfen bestehenden Ausstoßgruppen ermöglicht. Beim Ausstoß von zwei Tropfen kann dem ersten Tropfen ein zweiter Tropfen entweder bei der ersten Resonanzschwingung oder alternativ bei der zweiten Resonanzschwingung folgen. Durch diese beiden unterschiedlichen Zwei-Tropfen-Muster ergibt sich eine etwas unterschiedliche optische Bilddichte. Bei anderen Anwendungen mit Mikrotropfenausstoß können die Zeitpunkte des Auftreffens der Tropfen andere vorteilhafte physikalische Folgen haben.
Die erfindungsgemäße Funktionsweise lässt sich auch auf andere Ausbildungen von Flüssigkeitstropfen-Ausstoßvorrichtungen als die hier dargestellten und beschriebenen anwenden. Zum Beispiel kann die Flüssigkeits-Ausstoßvorrichtung zusammen mit anderen Mikroelektronikgeräten und -strukturen hergestellt werden. Insbesondere die erfindungsgemäß verwendete Steuerung und die elektrische Impulsquelle können mikroelektronisch in die Flüssigkeits-Tropfenausstoßeinheiten und die Ausstoßheiten-Anordnungen integriert werden.
Die vorstehende Beschreibung richtet sich in großen Teilen auf die Funktion einer nur einen Tropfen ausstoßenden Tropfenausstoßvorrichtung, es versteht sich jedoch, dass die Erfindung auch auf Anordnungen und Gruppen von mehrere Tropfen ausstoßenden Ausstoßeinheiten anwendbar ist. Die erfindungsgemäßen Verfahren können jedoch auch bei mehrere Tropfen ausstoßenden Ausstoßvorrichtungen Anwendung finden, indem entweder gemeinsamer Faktoren für Entscheidungen über die Energieverringerung und Festlegungen der elektrischen Impulsparameter für alle Ausstoßvorrichtungen oder individuelle Faktoren und Parameter angewandt werden, die Unterschiede zwischen den Tropfenausstoßvorrichtungen berücksichtigen.
Außerdem richtet sich die vorstehende detaillierte Beschreibung auf thermisch betätigte Tropfenausstoßvorrichtungen, die Erfindung ist aber auch auf alle Ausbildungen von Tropfenausstoßvorrichtungen anwendbar, die mit einem mechanischen Betätigungselement mit gedämpfter Resonanzschwingung arbeiten. Unabhängig davon, ob die Betätigungskräfte von magnetischen, piezoelektrischen, elektrostatischen, thermischen oder anderen physikalischen Effekten abgeleitet werden, können diese Schwingungen, wenn die Ausbildung des Betätigungselements gedämpfte Resonanzschwingungen ausreichender Größenordnung und Frequenz aufweist, mit Vorteil dafür genutzt werden, die Energie bei nachfolgenden Tropfenausstoßvorgängen in der erfindungsgemäß beschriebenen Weise zu reduzieren.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Flüssigkeitstropfen-Ausstoßvorrichtung zum Ausstoßen einer Reihe von Flüssigkeitstropfen, wobei die Ausstoßvorrichtung eine mit einer Flüssigkeit gefüllte Kammer aufweist, eine Düse zum Ausstoßen von Flüssigkeitstropfen, eine Betätigungseinrichtung zum Beaufschlagen der Flüssigkeit in der Düse mit Druck, wobei die Betätigungseinrichtung einen bewegbaren Abschnitt umfasst und eine gedämpfte Resonanzschwingung mit einer Grundschwingungsdauer von T_R und einer dämpfenden Zeitkonstanten T_D aufweist, ein Gerät zum Bewirken rascher Verschiebungen des bewegbaren Abschnitts der Betätigungseinrichtung in Abhängigkeit von elektrischen Impulsen, und eine Steuereinrichtung zum Bestimmen von Parametern der Impulse, mit den Schritten: a) Anlegen eines elektrischen Impulses der Energie E₀ und der Pulsdauer T_P0 bei Empfang eines Befehls zum Ausstoßen eines Tropfens, wodurch der bewegbare Abschnitt der Betätigungseinrichtung derart verschoben wird, dass ein Tropfen ausgestoßen und eine gedämpfte Resonanzschwingung der Betätigungseinrichtung initiiert wird; b) bei Empfang eines Befehls zum Ausstoßen eines nächsten Tropfens Bestimmen, ob die Betätigungseinrichtung ordnungsgemäß schwingt oder nicht; c) Rückkehr zu Schritt a), wenn bestimmt wird, dass die Betätigungseinrichtung nicht ordnungsgemäß schwingt; d) Warten einer Zeit T_W, bis die Betätigungseinrichtung sich bewegt, um die Flüssigkeit in der Düse mit Druck zu beaufschlagen, wenn bestimmt wird, dass die Betätigungseinrichtung ordnungsgemäß schwingt; e) Anlegen eines elektrischen Impulses der Energie E₂ and der Pulsdauer T_P2 durch Verschieben des bewegbaren Abschnitts der Betätigungseinrichtung, so dass ein nächster Tropfen ausgestoßen wird, worin E₂ < E₀ ist und der Ausstoß des nächsten Tropfens vorteilhaft die gedämpfte Resonanzschwingung der Betätigungseinrichtung nutzt.
Verfahren nach Anspruch 1, worin der Emitter zum Ausstoßen von Flüssigkeit ein Drop-on-demand Tintenstrahldruckkopf und die Flüssigkeit eine Tinte zum Drucken von Bilddaten ist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin T_P2 < ¼T_R ist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin T_P2 < ½T_R ist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin T_P0 < ½T_R ist.
Verfahren nach Anspruch 1, mit einem Schritt f) zum Zurückkehren zu Schritt b) nach Schritt e).
Verfahren nach Anspruch 1, worin der Schritt c) des Bestimmens den Schritt des Messens einer seit der Initiierung des vorherigen Anlegens eines elektrischen Impulses abgelaufenen Zeit T_E umfasst und das Herausfinden, dass die Betätigungseinrichtung nicht ordnungsgemäß schwingt, wenn T_E > 4T_D ist.
Verfahren nach Anspruch 7, worin T_P2 < ¼T_R ist und die Wartezeit T_W derart ausgewählt ist, dass die Summe von (T_W + T_E + ½T_P2) etwa (n – ¼)T_R entspricht und n eine ausgewählte ganze Zahl von ≥1 ist.
Flüssigkeitstropfen-Ausstoßvorrichtung zum Ausstoßen einer Reihe von Flüssigkeitstropfen, mit: einer mit einer Flüssigkeit gefüllten Kammer, die eine Düse zum Ausstoßen der Flüssigkeit aufweist; einer Betätigungseinrichtung zum Beaufschlagen der Flüssigkeit in der Düse mit Druck, wobei die Betätigungseinrichtung einen bewegbaren Abschnitt innerhalb der Kammer umfasst und eine gedämpfte Resonanzschwingung mit einer Grundschwingungsdauer von T_R und einer dämpfenden Zeitkonstanten T_D aufweist; einem Gerät zum Bewirken rascher Verschiebungen des bewegbaren Abschnitts der Betätigungseinrichtung in Abhängigkeit von elektrischen Impulsen; und einer Steuereinrichtung zum Ausführen des Verfahrens nach Anspruch 1.