NL1028546C2 - Piezo-inkjetprinter. - Google Patents

Description

Piëzo-inkjetprinter 5 De uitvinding betreft een inkjetprinter voorzien van een in hoofdzaak gesloten inktkanaal en in wezen evenwijdig hieraan een actuator welke door bekrachtiging kan vervormen ter opwekking van een drukgolf in het kanaal.

Een dergelijke inkjetprinter is bekend uit het Amerikaanse octrooi US 4,688,048. Zoals 10 genoegzaam bekend is uit de stand van de techniek leidt bekrachtiging van een dergelijke actuator er toe dat deze van vorm verandert, waardoor er een plotselinge volumeverandering van het kanaal (ook wel “inktkamer” genoemd) optreedt. Hierdoor ontstaat een drukgolf in het kanaal. Bij een voldoende sterke drukgolf zal dit leiden tot de uitstoot van een inktdruppei uit de spuitmond (nozzle) van het kanaal. Óp deze wijze 15 kan elke individuele bekrachtiging leiden tot de uitstoot van een inktdruppei. Door deze bekrachtigingen beeldmatig op te leggen kan een beeld, opgebouwd uit individuele inktdruppels, op een ontvangstmateriaal worden gevormd.

Uit het genoemde octrooi is het bekend dat de opgewekte drukgolf harmonische trillingen van eerste-, tweede-, derde-, vierde- en hogere orde omvat. Afhankelijk van de 20 grootte van de actuator en ligging ten opzichte van het kanaal wordt in hoofdzaak één van deze harmonische trillingen aangeslagen. Bij elke trilling past een typische druppelgrootte, waarbij deze grootte afneemt naarmate in hoofdzaak een hogere harmonische wordt aangeslagen. Om bijvoorbeeld in hoofdzaak een harmonische trilling van de derde orde aan te slaan (zie figuur 3 van genoemd US octrooi) kan er 25 voor gekozen worden om een actuator te gebruiken die een lengte heeft welke gelijk is aan een derde van de kanaallengte, waarbij deze actuator samenvalt met de antinode van deze harmonische trilling. Om een trilling van hogere orde aan te slaan kan er ook voor gekozen worden om twee of meer separate actuatoren te gebruiken (zie figuur 6 van genoemd US octrooi), wier positie samenvalt met antinodes van deze hogere orde 30 trilling. Deze bekende methode is geschikt om zeer selectief hogere orde trillingen aan te slaan en dientengevolge druppels met een zeer klein volume te genereren, zonder dat het hiervoor nodig is om dè grootte van de uitstroomopening te verkleinen en/of de druppelsnelheid aan te passen.

35 De bekende printer heeft echter belangrijke nadelen. Indien gekozen wordt om één : 1028546_ 2 actuator toe te passen wiens positie exact samenvalt met de antinode van een hogere orde harmonische trilling, zal deze actuator zich te allen tijde slechts over een beperkte lengte van het kanaal kunnen uitstrekken. Hoe hoger de orde Is van de gewenste harmonische trilling, des te kleiner zal de engte van de actuator zijn. Om met een 5 dergelijke kleine actuator toch een voldoende sterke voluméverandering van het kanaal te bewerkstelligen, zal een relatief hoge actuatiespanning nodig zijn. Hoge spanningen verkleinen de levensduur van de actuator en dus van de printkop. Bovendien zal het voor vierde- of hogere orde trillingen zelfs vrijwel onmogelijk zijn om met één actuator een voldoende grote volumeverandering te verkrijgen. In deze gevallen zal dus gekozen 10 moeten worden voor het töepassen van twee of meer afzonderlijk aanstuurbare actuatoren. Het nadeel hiervan is dat dit tenminste leidt tot een verdubbeling van de aanstuurelektronica van de printkoppen. Bovendien zal door toepassing van twee of meer individueel aanstuurbare actuatoren de produktie van de printkoppen veel complexer worden. Hierdoor is het toepassen van twee of meer individuele actuatoren 15 per inktkanaal, alhoewel veelvuldig genoemd in de octrooiliteratuur (zie bijvoorbeeld DE 43 28 433, JP 60 011369, US 4,672,398) economisch niet aantrekkelijk.

De onderhavige uitvinding heeft als doel aan de hiervoor genoemde problemen tegemoet te komen. Hiertoe is een inkjet printer volgens de aanhef uitgevonden, 20 daardoor gekenmerkt dat de actuator in een richting evenwijdig aan het kanaal een eerste en onderscheidenlijk hiervan een tweede deel omvat, door bekrachtiging van welke actuator Inkjetprinter voorzien van een in hoofdzaak gesloten inktkanaal en in wezen evenwijdig hieraan een actuator welke door bekrachtiging kan vervormen ter opwekking van een drukgolf in het kanaal, met het kenmerk dat de actuator in een 25 richting evenwijdig aan het kanaal een eerste en onderscheidenlijk hiervan een tweede deel omvat, door bekrachtiging van welke actuator het eerste deel een eerste vervorming vertoont en het tweede deel tegelijkertijd een in wezen hieraan tegengestelde tweede vervorming vertoont, zodanig dat een drukgolf wordt opgewekt in het inktkanaal.

30 Bij deze printer omvat de actuator aldus twee onderscheidenlijke delen, welke beide delen door één enkele bekrachtiging van vorm veranderen, waarbij het ene deel bijvoorbeeld in een eerste richting vervormt en het tweede deel tegelijkertijd in een richting in wezen hieraan tegengesteld vervormt. Indien de beide delen overeenkomen met de antinodes van een tweede of hogere orde harmonische trilling, zal deze dus bij 35 voorkeur worden aangeslagen. Het voordeel van de huidige uitvinding is dat kan 1028546_ 3 worden volstaan mét de aanstuurelektronica die gelijk is aan de aansturing van één enkele actuator, maar dat toch een relatief groot deel van de kanaallengte kan worden gebruikt voor het opwekken van de drukgolf. Aldus kan worden volstaan met een relatief lage aanstuurspanning. Het mag overigens duidelijk zijn dat voor een derde- of hogere 5 orde harmonische trilling gekozen kan worden voor een actuator welke drie, respectievelijk meer onderscheidenlijke delen omvat.

In een uitvoeringsvorm waarbij de actuator gepolariseerd piëzo-elektrisch materiaal omvat, is de polarisatierichting van het eerste deel in wezen tegengesteld aan de 10 polarisatierichting van het tweede deel. In deze uitvoeringsvorm wordt op zeer eenvoudige wijze voorzien in een vervorming van beide delen in tegengestelde richting. Door de polarisatierichting van beide delen tegengesteld te maken, zal bij bekrachtiging van de actuator als vanzelf het eerste deel in een richting tegengesteld aan het tweede deel vervormen. Bijkomend voordeel van deze uitvoeringsvorm is dat voor een 15 gangbaar type piëzo-elektrische actuator, te weten het type waarbij verscheidene lagen piëzo-elektrisch materiaal van elkaar gescheiden zijn door elektrodes, het grootste deel van het proces om deze actuator te maken (opbouw van het lagenpakket, sinteren van de lagen, zagen van de afzonderlijke piëzo-actuatoren etc.) identiek is aan het maken van de bekende actuatoren.

20

In een alternatieve uitvoeringsvorm waarbij het de actuator is opgebouwd uit een aantal lagen piezo-elektrisch materiaal welke van elkaar gescheiden zijn door elektrodes, zijn de elektrodes in het eerste deel anders gepoold dan de elektrodes in het tweede deel.

In deze uitvoeringsvorm wordt het eerste deel eveneens met eenzelfde aanstuurpuls 25 bekrachtigd als het tweede deel, maar omdat de elektrodes anders gepoold zijn lijkt het alsof het eerste deel met een spanning die tegengesteld is aan het tweede deel wordt bekrachtigd. In deze uitvoeringsvorm dient bij het maken van de elektrodes rekening te worden gehouden met de locatie in de uiteindelijke actuator. De overige processtappen om de actuator te maken kunnen gelijk blijven aan de stappen zoals bekend uit de 30 stand van de techniek.

In een verdere uitvoeringsvorm is de inkjetprinter aangepast voor het printen van een inkt welke vast is bij kamertemperatuur en vloeibaar bij verhoogde temperatuur. Het is gebleken dat de huidige uitvinding met name bij inkjetprinters welke gebruik maken van 35 deze zogenaamde hot melt inkt voordelig kan worden toegepast Bij vloeibare inkten, 1028546 4 bijvoorbeeld op basis van water of organische oplosmiddelen, kunnen eenvoudig kleine druppels worden verkregen door aanpassing van aanstuurpuls van een standaard actuator (bijvoorbeeld een electro-thermische of electro-mechanische actuator). Bij hot melt of andere relatief hoog visceuze inkten blijkt dit veel minder makkelijk te gaan 5 hetgeen wellicht met de veel grotere viscositeit van deze inkten te maken heeft. Het is gebleken dat onder toepassing van een actuator volgens de huidige uitvinding wel op eenvoudige wijze kleine druppels verkregen kunnen worden indien hot melt inkt wordt gebruikt.

10 De uitvinding zal nu verder worden toegelicht aan de hand van onderstaande voorbeelden.

Fig. 1 geeft schematisch een inkjet printer weer.

Fig 2. Geeft een actuator en kanaal zoals bekend uit de stand van de techniek weer, en 15 de hiermee op te wekken drukgolven in dit kanaal.

Fig. 3 Geeft een actuator en kanaal volgens de uitvinding weer, en de hiermee op te wekken drukgolven in dit kanaal.

Fig. 4 geeft schematisch de actuator van figuur 3 in groter detail weer.

Fig. 5 geeft schematisch een alternatieve actuator volgens de uitvinding weer.

20

Figuur 1

In figuur 1 is een inkjet printer schematisch weergegeven. In deze uitvoeringsvorm omvat de printer een rol 1 teneinde een ontvangstmateriaal 2, bijvoorbeeld een vel 25 papier of een transparante sheet, te ondersteunen en langs de scanwagen 3 (ook wel carriage genoemd) te voeren. Dit carriage omvat een draagorgaan 5 waarop de vier printkoppen 4a, 4b, 4c en 4d zijn bevestigd. Elke printkop is voorzien van inkt met een eigen kleur, in dit geval respectievelijk cyaan (C), magenta (M), geel (Y) en zwart (K). De printkoppen worden verwarmd door middel van verwarmingsmiddelen 9, welke zijn 30 aangebracht op de achterzijde van elke printkop 4 en op het draagorgaan 5. Onder toepassing van een centrale regeleenheid 10 (controller) worden de printkoppen op een juiste temperatuur gehouden.

De rol 1 is draaibaar rond zijn as zoals door de pijl A is aangegeven. Op deze wijze kart het ontvangstmateriaal ten opzichte van het draagorgaan 5, en daarmee ook ten 35 opzichte van de printkoppen 4, worden bewogen in de subscanrichting (veelal 1 0 5 i fi 5 aangeduid als X-richting). Het carriage 3 kan met geschikte aandrijfmiddelen (niet weergegeven) heen en weer bewogen worden in een richting die aangegeven is door de dubbele pijl B, parallel aan rol 1. Hiertoe wordt het draagorgaan 5 over de geleidestangen 6 en 7 bewogen. Deze richting wordt veelal de hoofdscanrichting of Y-5 richting genoemd. Op deze wijze kan het ontvangstmateriaal geheel worden afgetast (gescand) met de printkoppen 4.

In de uitvoeringsvorm zoals weergegeven in de figuur omvat elke printkop 4 een aantal inwendige inktkahaien (niet afgebeeld) die ieder zijn voorzien van hun eigen uitstroomopening (nozzle) 8. De nozzles vormen in deze uitvoeringsvorm per printkop 1 o één rij die loodrecht op de as van rol 1 staat (de rij strekt ach dus uit in de subscamichting). In een praktische uitvoering van een inkjet printer zal het aantal inktkanalen per printkop vele malen groter zijn en zijn de nozzles over twee of meer rijen verdeeld. Elk inktkanaal is voorzien van een piêzo-elektrische actuator (niet afgebeeld) waarmee een drukgolf in het inktkanaal kan worden opgewekt zodat een 15 Inktdruppel uit de nozzle van het betreffende kanaal wordt gestoten in de richting van het ontvangstmateriaal. De actuatoren kunnen beeldmatig worden bekrachtigd via een bijbehorende elektrische aandrijfkringloop (niet afgebeeld) ónder toepassing van de centrale regeleenheid 10. Op deze wijze kan een afbeelding opgebouwd uit inktdruppels worden gevormd op ontvangstmateriaal 2.

20 Wanneer een ontvangstmateriaal wordt bedrukt met een dergelijke printer waarbij inktdruppels uit inktkanalen worden gestoten, wordt dit ontvangstmateriaal, of een deel hiervan, (denkbeeldig) opgedeeld in vaste locaties die een regelmatig veld van beeldpuntrijen en beeldpuntkolommen vormen. In een uitvoeringsvorm staan de beeldpuntrijen loodrecht op de beeldpuntkolommen. De aldus ontstane afzonderlijke 25 locaties kunnen ieder voorzien kunnen worden van een of meer inktdruppels. Het aantal locaties per lengte-eenheid in de richtingen evenwijdig aan de beeldpuntrijen en beeldpuntkolommen wordt de resolutie van het gedrukte beeld genoemd, bijvoorbeeld aangegeven als 400x600 d.p.i. (“dots per inch”). Door een rij nozzles van een printkop van de inkjet printer beeldmatig aan te sturen wanneer deze onder verplaatsing van het 30 draagorgaan 5 ten opzichte van het ontvangstmateriaal beweegt, onstaat op het

Ontvangstmateriaal, althans op een strook ter breedte van de lengte van de nózzle-rij, een (deel-)beeld opgebouwd uit inktdruppels.

35 1028546 6

Figuur 2

In figuur 2a is schematisch een inktkanaal 15 weergegeven dat uitmondt in een uitstroomopening 8 welke is aangebracht in een nozzleplaat 12. Het inktkanaal is aan een zijde begrensd door een piëzo-elektrische actuator 16 welke elektrisch bekrachtigd 5 kan worden (aanstuurmiddelen niet getoond). De actuator is gepolariseerd in de aangegeven richting C. Door een pulsvormige bekrachtiging op te leggen waarbij de potentiaal over de actuator in dezelfde richting als de aangegeven polarlsatierichting toeneemt, zal de actuator 16 plotseling uitzetten. Hierdoor neemt het volume van het kanaal plotseling af waardoor er een drukgolf wordt opgewekt in dit kanaal. Indien deze 1 o drukgolf sterk genoeg is kan er een druppel inkt uit de uitstroomopening 8 gestoten worden. Na de bekrachtiging zal de actuator terug buigen (krimpen) naar zijn uitgangstoestand waardoor het kanaalvolume toeneemt. Hierdoor ontstaat een onderdruk in het kanaal en wordt er nieuwe inkt aangevoerd via een instroomopening van het kanaal (niet afgebeeld).

15 In figuur 2b is weergegeven welke soort trillingen worden opgewekt in het kanaal door bekrachtiging van de piëzo-elektrische actuator. Uitgezet zijn de druk P (verticale as) tegen de plaats X (horizontale as) in het kanaal. De opgewekte trillingen zijn harmonische trillingen welke in deze uitvoeringsvorm bij de nozzle 8 en aan het andere uiteinde van het kanaal geen drukveranderingen (P = 0) veroorzaken. In hoofdzaak 20 wordt een eerste orde harmonische trilling 21 opgewekt welke leidt tot een maximale drukverandering in het midden van het kanaal. Als neveneffect ontstaan ook trillingen van de tweede (22), derde (23), vierde (24, vijfde (25) en hogere (niet afgebeeld) orde.

Deze hogere orde trillingen echter vormen slechts een klein deel van de totale drukgolf omdat de eerste orde trilling bij voorkeur wordt aangeslagen door de actuator welke zich 25 over de lengte van het kanaal uitstrekt.

Figuur 3

In figuur 3a is schematisch eenzelfde inktkanaal 15 weergegeven als in figuur 2a. Het inktkanaal is nu echter aan een zijde begrensd door een piëzo-elektrische actuator 30 welke is opgebouwd uit de onderscheidenlijke delen 16c en 160. Deze delen vormen tezamen één actuator welke onder toepassing van één puls te bekrachtigen is, maar de delen zijn tegengesteld gepolariseerd. Deel 16c is in de aangegeven richting C gepolariseerd terwijl deel 16D in de aangegeven richting D is gepolariseerd. Indien een pulsvormige bekrachtiging opgelegd wordt aan deze actuator, waarbij de potentiaal over 35 de actuator toeneemt in de aangegeven richting D zal deel 16C plotseling krimpen en zal 1 0 2 8 5 4 6__ _ 7 deel 160 plotseling uitzetten. Hierdoor wordt er een drukgolf opgewekt in het inktkanaal 15.

Zoals aangegeven in figuur 3b zal de drukgolf in deze configuratie echter in hoofdzaak een harmonische trilling van de tweede orde (22’) omvatten. De eerste (21’) en hogere 5 orde (23’, 24’, 25’ etc.) trillingen zullen veel minder dominant aanwezig zijn. Indien de drukgolf voldoende sterk is zal ook nu een inktdruppel uit de nozzle 8 gestoten worden. Deze zal echter kleiner zijn de druppel die bij een bekrachtiging zoals aangegeven onder figuur 2 wordt uitgestoten. Hierdoor is het mogelijk om kwalitatief goede beelden met een fijne resolutie te printen en bovendien te besparen op de hoeveelheid inkt die 10 nodig is om een beeld te printen.

Figuur 4

In figuur 4 is de actuator 16 van figuur 3 nogmaals weergegeven maar nu met meer details. Elk van de delen 16C en 16D bestaat uit een drie-laags piëzoelektrisch element. 15 Deel 16c omvat de elektrodes 30,31,32 en 33 waartussen zich lagen piëzo-elektrisch materiaal bevindt. De elektrodes 30 en 32 zijn met elkaar verbonden via geleider 35. De elektrodes 31 en 33 zijn met elkaar verbonden via geleider 36. Het piëzo-elektrisch material dat zich tussen de elektrodes bevindt is gepolariseerd in de aangegeven richting C. Deel 16D omvat de elektrodes 40,41,42 en 43 waartussen zich eveneens 20 lagen piëzo-elektrisch materiaal bevindt. De elektrodes 40 en 42 zijn met elkaar verbonden via geleider 45. De elektrodes 41 en 43 zijn met elkaar verbonden via geleider 46. Het piëzo-elektrisch material dat zich tussen de elektrodes bevindt is gepolariseerd in de aangegeven richting D. In dit voorbeeld zijn de delen 16c en 16D separate piëzo-elektrische elementen welke onafhankelijk van elkaar geproduceerd zijn 25 en door elektrische verbinding verenigd zijn tot één actuator. Hiertoe zijn verbindingen 50 en 51 aangebracht. De delen zelf kunnen gescheiden zijn door een kleine tussenruimte (gap) zoals in het gegeven voorbeeld, maar zouden ook mechanisch verbonden kunnen worden via een elektrisch isolerende lijm of op welke andere wijze dan ook.

30

Figuur 5

In figuur 5 is schematisch een alternatieve actuator 16 volgens de uitvinding weergegeven. Dok deze actuator bestaat uit twee onderscheidenlijke delen 16c en 16D. In figuur 5A zijn de piezo-elektrjsche lagen weergegeven waaruit deze actuator is 35 opgebouwd. Er is een eerste laag, aangegeven als element 60, welke laag zonder

4 A Λ A r < A

8 onderbreking doorloopt van deel 16C naar deel 16D. Deze laag is gepolariseerd in de aangegeven richting D. De tweede laag bestaat uit de elementen 61 (voor deel 160) en 62 (voor deel 16c)· Deze delen zijn beide gepolariseerd in de aangegeven richting C. De delen 61 en 62 worden als losse elementen op de laag 60 aangebracht omdat de 5 elektrodestructuur niet gelijk is voor de delen 16C en 16o. Deze elektrodestructuur is weergegeven in figuur 5B. Deze structuur omvat een eerste elektrode 70 welke de onderzijde van laag 60 begrenst, althans waar deze deel uitmaakt van actuatordeel 160. Elektrode 70 omsluit verder dit deel 16D en eindigt tussen de delen 60 en 62 in deel 16c-Er is een tweede elektrode, welke de elektrodedelen 71 en 72 omvat. Deel 71 omsluit 10 grotendeels deel 16c. Elektrodedeel 72 is aangebracht tussen de delen 60 en 61 ter plaatse van actuatordeel 16d (hiertoe kan bijvoorbeeld voordat deel 61 op deel 60 wordt aangebracht, éérst de elektrode 72 op deel 60 worden bevestigd). De elektrodedelen 71 en 72 zijn elektrisch met elkaar verbonden, weergegeven met stippellijn 73, in dit geval via de niet zichtbare achterkant van de actuator 16.

15 Indien bij deze actuator 16 elektrode 70 een positieve potentiaal krijgt ten opzichte van elektrode 71/72, dan zal deel 16c uitzetten en 16D krimpen. Op deze wijze kan door het aanleggen van een enkele aanstuurpuls over actuator 16 preferent een harmonische trilling van de tweede orde worden aangeslagen.

1028546

Claims (4)

1. Inkjetprinter voorzien van een in hoofdzaak gesloten inktkanaal en in wezen evenwijdig hieraan een actuator welke door bekrachtiging kan vervormen ter opwekking 5 van een drukgolf in het kanaal, met het kenmerk dat de actuator in een richting evenwijdig aan het kanaal een eerste en onderscheidenlijk hiervan een tweede deel omvat, door bekrachtiging van welke actuator het eerste deel een eerste vervorming vertoont en het tweede deel tegelijkertijd een in wezen hieraan tegengestelde tweede vervorming vertoont, zodanig dat een drukgolf wordt opgewekt in het inktkanaal. 10

2. Inkjetprinter volgens conclusie 1, waarbij de actuator gepolariseerd piezo-elektrisch materiaal omvat, met het kenmerk dat de polarisatierichting van het eerste deel in wezen tegengesteld is aan de polarisatierichting van het tweede deel.

3. Inkjetprinter volgens conclusie 1, waarbij het de actuator is opgebouwd uit een aantal lagen piezo-elektrisch materiaal welke van elkaar gescheiden zijn door elektrodes, met het kenmerk dat de elektrodes in het eerste deel anders gepoold zijn dan de elektrodes in het tweede deel.

4. Inkjetprinter volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat de inkjetprinter is aangepast voor het printen van een inkt welke vast is bij kamertemperatuur en vloeibaar bij verhoogde temperatuur. 1028546