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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Tintenstrahldrucken mit Phasenwechsel-Tinte und insbesondere ein
verbessertes Heizelement zum Erhitzen der Tinte in einem Tintenstrahldruckkopf
mit einer Vielzahl von Düsen
auf eine gleichmäßige Temperatur über den
gesamten Druckkopf.
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Herkömmliche
Vorrichtungen und Verfahren versorgen einen Tintenstrahldruckkopf
mit einer Vielzahl von Düsen
mit Phasenwechsel-Tinte, verwenden Wärme, um die Tinte kontrolliert
zu schmelzen, und spritzen die geschmolzene Tinte zur Erzeugung
eines Druckbildes selektiv auf ein Druckmedium. Phasenwechsel-Tinte ist aufgrund
ihrer Bildqualität,
Wirtschaftlichkeit und der Verwendungsmöglichkeit mit herkömmlichen
Druckmedien besonders vorteilhaft und praktisch.
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Insbesondere
beschreibt das US-Patent Nr. 4,418,355 für eine „Tintenstrahlvorrichtung mit
vorgespannter Membran und Verfahren zu deren Herstellung" einen Tintenstrahldruckkopf
mit einer Vielzahl von Düsen,
bei dem ein langgestrecktes schlangenförmiges Heizelement gegen eine
Wärmeverteiler-Tintenkammer-Wandplatte
gedrückt
wird, um die in der Kammer befindliche Phasenwechsel-Tinte zu schmelzen.
Zum Messen der Temperatur in der Tintenkammer befindet sich in einer
mittig angeordneten Bohrung ein Thermistor. Der Tintenstrahl-Druckkopf
bewegt sich über
ein Druckmedium hin und her, während
er selektiv Tinte aus piezoelektrischen, durch einen Übertrager
angetriebenen Düsen
Tinte ausspritzt, um ein Bild zu drucken.
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Fachleuten
ist bekannt, daß ein
Tintenstrahldruckkopf Tintentropfen in einer Geschwindigkeit ausstößt, die
durch verschiedene Parameter, wie z.B. die auf die Tinte durch den
piezoelektrischen Übertrager
aufgebrachte Energie, die äußere Form
des Tintenkopfes und die Tintenviskosität bestimmt wird. Insbesondere ist
die Viskosität
von Phasenwechsel-Tinte stark temperaturabhängig, da diese üblicherweise
bei Raumtemperatur fest, nahe ihrem Schmelzpunkt von 86°C gummiartig
und in ihrer Ausstoßtemperatur
von ca. 130-140°C
flüssig
ist. Bei Verwendung eines typischen Tintenstrahldruckkopfes und
einer bestimmten Menge an Übertragerenergie
verändert
sich die Tintentropfen-Ausstoßgeschwindigkeit
pro °C um
ca. 2 bis 3%.
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Da
der Tintenstrahldruckkopf sich während
des Tintentropfenausstoßes
parallel zum Druckmedium bewegt, variieren die Aufprallpunkte der
Tropfen im Verhältnis
zur Änderung
der Ausstoßgeschwindigkeit.
Deshalb muß zum
Sicherung einer annehmbaren Aufprallgenauigkeit die Temperatur der
Phasenwechsel-Tinte geregelt werden und sie sollte für jede Düse des Tintenstrahldruckkopfes
mit einer Vielzahl von Düsen
im wesentlichen gleich sein. Tinten-Temperaturunterschiede von mehr als
3°C können sichtbare
Aufprallfehler verursachen.
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Temperaturschwankungen
hervorrufende Faktoren sind z.B. ungleichmäßige Wärmeleitverluste, Konvektionsverluste
in die Luft und Strahlungsverluste des Druckkopf in benachbarte
Gegenstände.
Konvektionsverluste sind bei Druckern mit einem sich vor und zurück bewegenden
Druckkopf besonders ungleichmäßig, da
dieser die führenden
und schleifenden Ränder
des Druckkopfes mehr „fächert" als seinen Mittelbereich.
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Das
Beibehalten einer im wesentlichen konstanten Tintentemperatur wird
zunehmend schwieriger, wenn der Druckkopf zur Aufnahme zusätzlicher
Tintenstrahldüsen
breiter wird. Das US-Patent Nr. 5,087,930 für einen „Ausstoß-auf-Abruf-Tintenstrahldruckkopf, welches
auf den Anmelder dieser Erfindung übertragen wurde, beschreibt
einen 95mm breiten 96-Düsen-Druckkopf
zum Ausstoßen
von Phasenwechsel-Tinte. Der Tintenstrahldruckkopf ist an eine Tintenkammer
angeschlossen, die auf einem sich hin- und herbewegenden Wagen montiert
ist. Dieser ist im US-Patent Nr. 5,083,143 für den „Rotationsausgleich eines
Tintenstrahldruckkopfes" desselben
Anmelders offenbart.
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Differentielles
Erhitzen des 96-Düsen-Druckkopfes
zum Erhalt einer gleichmäßigen Tintentemperatur über den
gesamten Druckkopf hinweg ist durch Verwendung einer Vielzahl von
Heizelementen möglich,
die jeweils über
einen zugeordneten Temperatursensor gesteuert werden. Ein solcher
Ansatz ist jedoch unnötig kompliziert
und kostenaufwendig.
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Gemäß 1 wurde
ein Heizelement 10 entwickelt, das an den Rändern seiner
kurzen Seiten mehr Wärme
erzeugt als in seinem Mittelbereich. Eine einzige Heizfolie 12 gleicht
ungleichmäßige Übertragungsverluste
an den Rändern
der kurzen Seiten des 96-Düsen-Druckkopfes
aus und wird durch einen Temperaturregler mit einem einzigen Temperatursensor
geregelt. Das Heizelement 10 ist eine herkömmliche
flexible Schaltung, deren Heizfolie 12 aus geätzter Inconel®-Folie
(Legierung 600) besteht, die zwischen zwei Kapton®-isolierenden Schichten
laminiert ist. Eine wärmeleitende
Schicht aus Kupferfolie ist mit einer der Kapton®-Schichten
verbunden. Das Heizelement 10 ist in seiner Größe entsprechend
einer Hauptfläche
des 96-Düsen-Druckkopfes
ausgebildet.
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Die
Heizfolie 12 ist über
zwei Kontakte 14 mit einem Temperaturregler 16 elektrisch
verbunden. Entsprechend der vom Thermistor 18 gemessenen
Temperatur gibt der Temperaturregler 16 über die
Kontakte 14 eine pulsdauermodulierte elektrische Spannung
ab. Die Heizfolie 12 weist einen Satz von 11 nebeneinander liegenden
Heizzonen 20 auf (dargestellt als durch gestrichelte Linien
verbundene Bereiche), die in X-Richtung (Breite) des Heizelements 10 verteilt
sind. Da der elektrische Stromfluß überall entlang der Heizfolie 12 gleich ist,
ist die Watt-Dichte in jeder Zone 20 proportional zum elektrischen
Widerstand der Heizfolie 12 in dieser Zone. Der Widerstand
der Heizfolie 12 wird deshalb in Heizzonen 20 in
der Nähe
der Kontakte 14 im Vergleich zu den Heizzonen 20 nahe
dem Thermistor 18 vergrößert. Die
Watt-Dichte der Heizzonen 20 variiert von ca. 2 bis 2,5
W/cm2 im Zentrum des Heizelements 10 bis
ca. 3 bis 3,25 W/cm2 an seinem linken und
rechten Rand.
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Der
Thermistor 18 ist in eine Bohrung in dem 96-Düsen-Druckkopf
eingebettet. Er ist über
einen ausgesparten Bereich 22 im Heizelement 10 zugänglich.
Die Position des Thermistors 18 ist außerhalb des vorgesehenen zu überwachenden Bereiches
nicht kritisch, da die an anderen Stellen des 96-Düsen-Druckkopfes gemessene
Temperatur anderswo entlang der Breite des 96-Düsen-Druckkopfes durch die in
Zonen unterteilte Watt-Dichte des Heizelements 10 abgeglichen
wird. Da die Phasenwechsel-Tinte in direktem Kontakt mit dem Druckkopf
steht, wird durch das Abgleichen der Druckkopftemperatur auch die
Tintentemperatur abgeglichen.
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2 zeigt
ein Temperaturhöhenprofil,
erhalten durch Infrarot-Abtastung, über einer Düsenoberfläche 24 des 96-Düsen-Druckkopfes,
der durch das Heizelement 10 erhitzt wird. 2°C-Höhenlinien 26 zeigen,
daß die Temperatur über die
Düsenoberfläche 24 hinweg
um ca. 4°C
von einem heißen
Zentralbereich 27 zu den Rändern 28 des Druckkopfes
hin variiert. Hierbei ist zu beachten, daß die Düsen sich über einen schrägen Bereich der
Düsenoberfläche 24 erstrecken,
der Temperaturunterschiede von mehr als 4°C aufweist. Eine weitere Verbesserung
der Temperaturgleichmäßigkeit
würde die
Tintenaufprallzeit auf das Papier gleichmäßiger machen und somit die
Aufprallgenauigkeit für
den 96-Düsen-Druckkopf verbessern.
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Es
ist ebenfalls bekannt, daß bestimmte
Phasenwechsel-Tinten sich zersetzen, wenn sie für längere Zeit einer erhöhten Temperatur
ausgesetzt sind. Deshalb werden bestimmte Mengen Phasenwechsel-Tinte geschmolzen
und in einem Reservoir bei einer leicht über der Tintenschmelztemperatur
liegenden Temperatur gespeichert, jedoch deutlich unter der Tintenausstoßtemperatur.
Deshalb müssen
das Reservoir und der Druckkopf thermisch isoliert sein und separate
Heizelemente und Temperatursensoren aufweisen.
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Das
US-Patent Nr. 5,276,468 beschreibt eine Tintenstrahl-Druckkopf-Anordnung
mit einer Vorschmelzkammer, einem Tintenreservoir und einem thermisch
isolierten Tintenstrahl-Druckkopf. Ein mit dieser Tintenstrahl-Druckkopf-Anordnung ausgestatteter
Drucker weist die Modi Start, Ruhestellung, Bereit und Abschalten
auf, denen jeweils bestimmte Temperaturen für die Kammern und den Druckkopf
zugeordnet sind. Im Ruhe-Modus wird der Druckkopf z.B. auf der gleichen
Temperatur gehalten wie das Reservoir, aber wenn er drucken soll,
wird seine Temperatur schnell erhöht, um die in ihm befindliche
Tinte auf ihre Ausstoßtemperatur zu
erhitzen. Der Druckkopf und sein Heizelement, der Temperatursensor
und der Temperaturregler haben eine schnelle thermische Reaktionszeit,
wodurch weniger Zeit zum Erreichen des Bereit-Modus benötigt wird.
Dies trägt
auch zur längeren
Haltbarkeit der Tinte bei.
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Phasenwechsel-Tintenstrahldrucker
mit hin- und herfahrenden Druckköpfen
erzeugen qualitativ hochwertige Bilder, benötigen zur Erzeugung jedes Bildes
aber relativ lange. Die Druckzeit läßt sich verkürzen, indem
man die Anzahl der das Bild druckenden Düsen erhöht. Ein idealer Druckkopf würde über die
gesamte Breite eines Druckmediums reichen und Tintenstrahldüsen aufweisen,
die ein Bildelement (im folgenden: „Pixel") voneinander entfernt sind und es wäre nur ein
einziger Scan des Druckkopfes parallel zum Druckmedium erforderlich,
um ein Bild zu drucken. Daher wird ein im wesentlichen medienbreiter
Tintendruckkopf mit einer Vielzahl von Öffnungen benötigt, der
ein Heizsystem aufweist, das den Druckkopf und die darin befindliche Phasenwechsel-Tinte
auf eine im gesamten Druckkopf gleichmäßige Temperatur erhitzt.
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Wie
in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
näher erläutert wird, gibt
die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum
Erhitzen eines medienbreiten Phasenwechsel-Tintenstrahldruckkopfes
und der in ihm enthaltenen Tinte auf eine im gesamten Druckkopf
gleichbleibende Temperatur an.
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Weiterhin
gibt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren
zum Erhitzen eines Phasenwechsel-Tintenstrahldruckkopfes an, wobei
dieser eine Vielzahl von Farbreihen in X-, Y- und Schrägrichtung
einer Hauptfläche
des Kopfes aufweist.
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Weiterhin
wird in der folgenden Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen deutlich, daß die Erfindung eine Vorrichtung
und ein Verfahren zur schnellen Regulierung der Temperatur eines Phasenwechsel-Tintenstrahldruckkopfes
mit einer Vielzahl von Düsen über ein
Temperatursteuersystem mit einem einzigen Heizelement und einem
Temperatursensor angibt.
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Eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet ein flexibles, zusammengesetztes
Laminat-Heizelement mit einer Vielzahl von Heizzonen, die in X-
und Y-Richtung eines medienweiten Mehrfarben-Phasenwechsel-Tintenstrahldruckkopfes
verteilt sind. Der Druckkopf weist zwei Reihen von Tintenstrahlendüsen auf,
die schräg über seine
Fläche
verteilt sind, wobei die Tinte jeder Düse in jeder Reihe die im wesentlichen
gleiche Temperatur haben muß,
um eine gleichmäßige Ausstoßgeschwindigkeit
aus jeder Düse
zu gewährleisten.
Der Druckkopf ist aus einer laminierten Edelstahlplatte hergestellt,
die leicht überhitzte
Stellen entwickelt. Strahlungs-, Leitfähigkeits- und Konvektionsverluste
sind thermische Übertragungsmechanismen, die
zu einer ungleichmäßigen Temperatur
des Druckkopfes führen.
Heizzonen im Druckkopf-Erhitzer
gleichen die verschiedenen thermischen Übertragungsmechanismen aus,
um eine gleichbleibende Temperatur im gesamten Druckkopf zu erhalten.
Der Temperaturregler benötigt
lediglich einen einzigen Temperatursensor zur Regelung der Druckkopf-Temperatur.
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Eine
weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet ein flexibles, zusammengesetztes
Laminat-Heizelement mit einer Mehrzahl von Heizzonen, die um den äußeren Rand
der Düsen
in X- und Y-Achsenrichtung eines medienbreiten Mehrfarben-Phasenwechsel-Tintenstrahl-Druckkopfes
verteilt sind. Der Druckkopf weist eine Vielzahl von Tintenstrahldüsen-Reihen
auf, die über
seine Fläche
in Y-Richtung verteilt sind, wobei die Tinte in jeder Düse jeder
Reihe die im wesentlichen gleiche Temperatur haben muß, damit eine
gleichmäßige Ausstoßgeschwindigkeit
aus jeder Düse
erreicht wird. Der Druckkopf befindet sich in Flüssigkeits-Verbindung mit einem
thermisch massiven Mehrfarben-Tintenreservoir,
das über
eine Kontaktfläche Wärme an den
Druckkopf überträgt. Eine
Drehtrommel, die in Abstand zum Druckkopf angeordnet ist, saugt durch
den Zwischenraum Luft ein und kühlt
dadurch den Druckkopf durch Konvektion differentiell in Y-Richtung.
Strahlung und Leitfähigkeit
sind weitere thermische Übertragungsmechanismen,
die zu einer ungleichmäßigen Temperatur
im gesamten Druckkopf führen.
Die Heizzonen der Druckkopferhitzers gleichen die verschiedenen
thermischen Übertragungsmechanismen
aus, um eine gleichmäßige Temperatur
im gesamten Druckkopf zu erzeugen. Der Temperaturregler benötigt zur
Regelung der Druckkopftemperatur lediglich einen einzigen Temperatursensor.
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Im
folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von zwei beispielhaften
Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
bildliche Darstellung eines Tintenstrahl-Druckkopf-Erhitzers gemäß internem
Stand der Technik, dessen Heizzonen über die gesamte Breite des
Druckkopfes verteilt sind; die elektrischen Zusammenschaltungen
des Heizelements mit einem Temperaturregler und einem Temperatursensor
sind schematisch angedeutet;
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2 eine
bildliche schematische Ansicht eines 96-Düsen-Druckkopfes, der durch
ein Heizelement gemäß 1 geheizt
wird und über
die Düsenoberfläche des
Druckkopfes ein ungleichmäßiges Temperaturprofil
hat;
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3 eine
schematische Ansicht eines Tintenstrahl-Druckkopf-Erhitzers, dessen
Heizzonen über
seine Breite und Höhe
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verteilt sind;
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4 eine
schematische Ansicht des 96-Düsen-Tintenstrahl-Druckkopfes,
der durch das in 3 gezeigte Heizelement geheizt
wird und über
die Düsenoberfläche des
Druckkopfes ein verbessertes Temperaturprofil zeigt;
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5 eine
schematische Seitenansicht einer Offsetdruck-Phasenwechsel-Tintenstrahldruck-Vorrichtung
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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6 eine
isometrische Explosionsansicht eines Tintenstrahldruckkopfes, der
Heizelemente, eines Tintenreservoirs und der Tinten-Vorschmelzkammern
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung;
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7 eine
Aufsicht auf ein flexibles Heizelement mit einer Vielzahl von Heizzonen
gemäß der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform;
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8 einen
vergrößerten Querschnitt
entlang der Linie 8-8 von 7, der die
laminierten Schichten des flexiblen Heizelements zeigt.
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3 zeigt
ein verbessertes Heizelement 29, beispielsweise zur Verwendung
mit einem 96-Düsen-Tintenstrahl-Druckkopf.
Das verbesserte Heizelement 29 erzeugt nicht nur an seinen
Rändern
der kurzen Seiten mehr Wärme
als in seinem Mittelbereich, sondern erzeugt auch nahe den unteren
Seitenrändern
mehr Wärme.
Ein einzelnes schlangenförmiges
Heizelement 30 gleicht unregelmäßige Wärmeverluste sowohl über die
Breite als auch die Höhe
des 96-Düsen-Druckkopfes
aus. Das verbesserte Heizelement 29 ist als flexible Schaltung
ausgebildet, deren Heizfolie 30 aus geätzter Cupro-Nickel-Folie (Legierung
70/30) besteht. Cupro-Nickel weist einen niedrigeren Leitungswiderstand
auf als Inconel®,
wodurch das Heizelement 30 eine kleinere Querschnittsfläche haben
kann als ein äquivalentes
Iconel-Heizelement. Die Spurbreite und -länge des Heizelements 30 läßt sich
deshalb so verändern,
daß die
Flächennutzung
auf dem verbesserten Heizelement 29 verbessert wird, während die
gleiche Gesamtnutzleistung wie beim herkömmlichen Heizelement 10 beibehalten
wird (1). Die verbesserte Flächennutzung verbessert die
Wärmeverteilung
in Quer- und Längsrichtung
des verbesserten Heizelements 29.
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Das
verbesserte Heizelement 29 umfaßt elf nebeneinander liegende
Heizzonen 31A bis 31K (dargestellt als durch gestrichelte
Linien verbundene Bereiche), die in X-Richtung (Breite) und Y-Richtung
(Höhe)
des verbesserten Heizelements 29 verteilt sind. Da der
elektrische Stromfluß entlang
der Heizfolie 30 überall
gleich ist, ist die Watt-Dichte in jeder der Zonen 31 proportional
zum elektrischen Widerstand der Heizfolie 30 in dieser Zone.
Die bevorzugten Watt-Dichte-Werte (W/cm2)
für die
Heizzonen 31 sind in der nachfolgenden Tabelle 1 aufgeführt.
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4 zeigt
ein Temperaturprofil über
die Düsenoberfläche 24 des
96-Düsen-Druckkopfes, der
von dem verbesserten Heizelement 29 (nicht gezeigt) erhitzt
wird. 2°C-Höhenlinien 32 zeigen,
daß die
Temperatur über
die Düsenoberfläche 24 hinweg
von einem weit verteilten heißen
Bereich 33 bis zu den Rändern
der Düsen-Anordnung 34 des
Druckkopfes um weniger als ca. 3°C
variiert. Jedoch liegen – im
Gegensatz zu der Wärmeverteilung
gemäß 2 – im wesentlichen
alle Düsenanordnungen 34 innerhalb
des heißen
Bereichs 33, insbesondere wegen der variablen Watt-Dichte-Verteilung
entlang der verschiedenen Achsen, wodurch die Temperaturgleichmäßigkeit
der Phasenwechsel-Tinte an den Ausstoßpositionen des 96-Düsen-Druckkopfs verbessert
wird.
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Gemäß 5 druckt
der Offset-druckende Phasenwechsel-Tintenstrahldrucker 35 (im
folgenden „Drucker 35") gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ein Bild gemäß dem nachfolgend beschriebenen
Ablauf.
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Eine
Offset-Druckwalze 36 dreht um eine Achse 37 in
der durch den Pfeil 38 angedeuteten Richtung. Vor dem Drucken
wird die Walze 36 durch die Übertragungsflüssigkeit-Auftragsrollen 40, 41 mit
einer Übertragungsfllüssigkeit
angefeuchtet, woraufhin die Auftragsrolle 41 von der Walze 36 weg
in Richtung des Pfeils 42 bewegt wird. Ein Tintenstrahl-Druckkopf 44 weist
in Breite der Walze 36 vier vertikal beabstandete Reihen
von Düsen
(zusammen als 46 bezeichnet) auf. Die Düsenreihen 46 spritzen
jeweils gelb Y, magenta M, cyan C und schwarz K gefärbte Phasenwechsel-Tinte
aus. (Wenn dies im folgenden notwendig erscheint, werden nummerierte
Elemente durch einen die Farbe der Tinte angebenden Buchstaben näher identifiziert.
Z.B. ist die Düsenreihe 46C eine
Düsenreihe
für cyanfarbige
Tinte.)
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Die
Düsen 46 in
jeder Reihe weisen horizontal 28-Pixel-Abstände auf, und die Reihen sind
vertikal um etwa 24 Pixel-Abstände
voneinander entfernt. Jede Düsenreihe 46 ist
parallel mit der Drehachse 37 ausgerichtet und die Düsenreihen 46Y, 46M und 46C sind
vertikal mit der entsprechenden Düse in der daneben liegenden
Reihe ausgerichtet. Die Düsenreihe 46K ist
horizontal um zwei Pixel-Abstände zu den
andere Düsenreihen
versetzt. Die vertikale Ausrichtung der Farbreihen hat zur Folge,
daß von
einer bestimmten Kombination von Düsen in den Reihen 46Y, 46M und 46C ausgestoßene Tintentropfen übereinanderlappen,
wenn sie subtraktiv farbige Bilder bilden. Schwarze Tintentropfen
werden von den farbigen Bildern abgesetzt.
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Es
ist dem Fachmann bekannt, daß der
Druckkopf 44 für
das Drucken eines vollständigen
Bildes auf der Walze 36 einen Versatz um eine Pixelposition
seitlich entlang der Längsrichtung
der Walze 36 für
jede der 28 Walzenumdrehungen erfordert. Der benötigte Versatz wird dadurch
erreicht, daß man
den Druckkopf 44 auf einen Wagen 48 montiert,
der durch eine Verstellschraube 50 positioniert wird.
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Der
Druckkopf 44 ist an einem Tintenreservoir 52 befestigt,
das zusammen mit vier Tinten-Vorschmelzkammern 54 (von
denen eine hier gezeigt ist) am Wagen 48 montiert ist.
Das Reservoir 52 und die Vorschmelzkammern 54 werden
durch zwei 150 W-Patronenerhitzer 56 (von denen einer gezeigt
ist) erhitzt. Der Druckkopf 44 wird durch einen Druckkopferhitzer 58 erhitzt,
der unter Bezugnahme auf 7 und 8 beschrieben wird.
Bestimmte Mengen von vier Farben fester Phasenwechsel-Tinte 64 (eine
Farbe ist hier gezeigt) werden durch vier Trichter 66 (einer
ist hier gezeigt) in die Vorschmelzkammern 54 geleitet,
wo feste Tinten 64 durch die Wärme der Patronenerhitzer 56 geschmolzen
werden. Nachdem die festen Tinten 64 geschmolzen wurden,
fließen
sie in das Reservoir 52 und werden an den Druckkopf 44 ausgegeben.
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Auf
dem Druckkopf 44 positionierte piezoelektrische Übertrager
erhalten Bilddaten von den Treibern 60, die auf einer flexiblen
Schaltung 62 angeordnet sind. Der Druckkopf 44 wirft
entsprechend den Bilddaten bestimmte Muster von cyan, gelb, magenta
und schwarz gefärbter
Tinte auf die Drehwalze 36, wodurch er in 28 aufeinanderfolgenden
Drehungen ein vollständiges
Bild auf der angefeuchteten Oberfläche der Walze 36 absetzt.
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Eine
Medien-Führungswalze 68 befördert ein
Druckmedium 70 zu zwei Medien-Zufuhrrollen 72, die das Medium 70,
wie z.B. Papier oder Klarsichtfolie, entlang einem Medienerhitzer 74 vorbei
in eine zwischen der Walze 36 und einer Transferwalze 76 ausgebildete
Klemmstelle befördern.
Die Transferwalze 76 wird in Druckkontakt mit der Walze 36 gemäß Pfeil 78 bewegt.
Eine Kombination von Druck in der Klemmstelle und Wärme vom
Druckmedium 70 bewirkt, daß das abgesetzte Bild von der
Walze 36 auf das Druckmedium 70 übertragen
wird. Bildübertragende
Hitze kann auch durch Heizen jeder beliebigen Walze 72 oder 76 oder
vorzugsweise der Walze 36 geliefert werden. Das bedruckte Druckmedium 70 tritt
dann in einen Auswurfweg 80 ein, von dem es in einen Medien-Ausgabeschacht 82 ausgegeben
wird.
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Nach
Beendigung der Bildübertragung
verschiebt sich die Transferwalze 76 von der Walze 36 weg
und die Auftragsrolle für
die Übertragungsflüssigkeit 41 schiebt
sich an die Walze 36 und bereitet diese für die Aufnahme
eines weiteren abgesetzten Bilds vor.
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Zur
Erhaltung der erforderlichen Druckqualität muß der Druckkopf 44 mit
Hilfe einer Druckkopf-Wartungsstation regelmäßig gereinigt und ausgeblasen
werden. Das US-Patent Nr. 5,184,147 beschreibt eine Druckkopf-Wartungsstation,
die bei Verbreiterung über
den gesamten Druckkopf 44 geeignet ist, die Druckqualität aufrecht
zu erhalten. Die Wartung des Druckkopfes wird normalerweise nach
dem Kaltstart des Druckers 35 vorgenommen und erfolgt durch
Abziehen des Wagens 48 von der Walze 36 in der
durch Pfeil 86 angedeuteten Richtung. Wenn der Druckkopf 44 ausreichend
weit von der Walze 36 entfernt ist, wird die Wartungsstation 84 in
die durch Pfeil 88 gezeigte Richtung nahe an den Druckkopf 44 heran
gefahren.
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Die
Wärmeübertragungs-Eigenschaften
des Druckkopfes 44 des Druckers 35 unterscheiden
sich von denjenigen des hin- und herfahrenden Tintenstrahl-Druckkopfes herkömmlicher
Drucker. Insbesondere bewegt sich der Druckkopf 44 nicht
schnell genug um fächerungsbedingte
Konvektionskühlung
links und rechts an seinen kurzen Seiten zu verursachen. Jedoch
kühlt durch
einen Spalt 90 angesaugte Luft durch Drehen der Walze 36 den
Druckkopf 44 durch Konvektion differentiell gleichmäßig, wie
auch durch Wärmeleitung.
Weiterhin wird Wärme
von der erhitzten Walze 36 in den Druckkopf 44 ausgestrahlt.
Die Wärmeübertragung
ist nahe an der Düsenreihe 46M am
größten, da
der Spalt 90 sich dort auf ca. 0,51 mm verengt. Temperaturmessungen haben
ergeben, daß die
Temperatur des Druckkopfes 44 bei drehender Walze 36 um
ca. 2 bis 3°C
geringer ist als bei unbewegter Walze. Gleichermaßen ist
die Temperatur des Druckkopfes 44 um ca. 5 bis 6°C geringer, wenn
er für
die regelmäßige Wartung
von der Trommel 36 wegbewegt wird.
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Zusätzlich zu
den oben beschrieben Wärmetransfermechanismen
wird Wärme
von dem Reservoir 52 über
einen unterhalb der Düsenreihen 46 befindlichen
Kontaktbereich 92 an den Druckkopf 44 geleitet.
Der nicht mit dem Reservoir 52 in Kontakt stehende Bereich
des Druckkopfes 44 ist der Umgebungsluft ausgesetzt und
wird leicht durch Konvektion gekühlt.
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Während ein
sich hin- und herbewegender Phasenwechsel-Tintenstrahl-Druckkopf von seinem
Mittelpunkt zu seinem linken und rechten Rand (X-Richtung) differentiell heizt, heizt
der Druckkopf 44 auch differential von seiner Mitte in
Richtung auf seinen oberen und unteren Rand (Y-Richtung). Der Druckkopf 58 umfaßt deshalb
Heizzonen, die sowohl in X- als auch in Y-Richtung verteilt sind,
um eine gleichmäßige Tintentemperatur über den
gesamten Druckkopf 44 und somit eine gleichbleibende Tintenviskosität und Ausstoßtemperatur zu
gewährleisten.
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6 ist
eine isometrische Explosionsansicht, die das Positionieren eines
medienbreiten Druckkopfes 44 parallel zum Druckkopferhitzer 58 zeigt,
die flexible Schaltung 62, das Tintenreservoir 52,
die Tinten-Vorschmelzkammern 54C, 54M, 54Y und 54K und
die Patronenerhitzer 56. Die Patronenerhitzer 56 werden
in eine Wärmeverteilerschiene 100 eingesetzt,
die in thermischem Kontakt mit dem Reservoir 52 und den
Tintenvorschmelzkammern 54 angeordnet wird. Die Temperatur
der Wärmeverteilerschiene 100 wird
durch einen Thermistor 102 (gestrichelt angedeutet) gemessen,
der zusammen mit einem herkömmlichen
Nulldurchgangs-Festkommazyklus-Temperaturregler die Temperatur der
Wärmeverteilerschiene 100,
des Reservoirs 52 und der Vorschmelzkammern 54 regelt.
Ihre gemeinsame thermische Masse bewirkt, daß der Temperaturregler eine
relativ lange thermische Reaktionszeit von 90 sec hat, die für das Schmelzen
der Tinte, ihre Lagerung und Verteilung ausreicht.
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Im
Gegensatz dazu hat der Druckkopf 44 eine schnelle thermische
Reaktionszeit von ca. 3 bis ca. 7 sec, um auf durch die oben beschriebenen
thermischen Übertragungsmechanismen
ausgelösten
Temperaturveränderungen,
Drucker-Modus-abhängige Temperaturveränderungen
und Wärmeverlust
beim Ausstoß dichter
Tintenmuster reagieren zu können.
Die Temperatur des Druckkopfes 44 wird durch einen Thermistor 104 (gestrichelt
angedeutet) gemessen, der in eine Bohrung im Druckkopf 44 eingesetzt
ist und der, wie oben beschrieben, durch den Temperaturregler gesteuert
wird, der den Druckkopferhitzer 58 antreibt. Der Thermistor 104 ist
vorzugsweise ein von Betatherm Inc. in Shrewsbury, Massachusetts
hergestellter 100K6MCD.
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Der
Druckkopf 44 ist mit dem Reservoir 52 entlang
eines rechteckigen Kontaktbereiches 92 (gestrichelt dargestellt)
verbunden. Der Kontaktbereich 92 des Reservoirs 52 umfaßt vier
Reihen von Tintenports 106, durch die der Druckkopf 44 geschmolzene
gelbe, magenta- und cyanfarbene und schwarze Tinte erhält. Der
Kontaktbereich 92 auf dem Druckkopf 44 umfaßt vier
Reihen von gepaarten Tintenports (nicht gezeigt), die von vier Düsenreihen 46 getrennt
und unter diesen positioniert sind. Die verschiedenen thermischen
Reaktionszeiten auf den beiden Seiten des Kontaktbereiches 92 verhindern
eine thermische Oszillation zwischen dem Druckkopf und Reservoir-abhängigen Temperaturregelungsschleifen.
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Der
Druckkopferhitzer 58 ist mit der Rückenfläche des Druckkopfs 44 am
Kontaktbereich 92 und oberhalb von diesem verbunden. Ein
ausgesparter Bereich 108 im Druckkopferhitzer 58 nimmt
den durch die piezoelektrischen Übertrager
(nicht gezeigt) benötigten
Bereich auf, die die Düsenreihen 46 antreiben.
Die piezoelektrischen Übertrager
sind durch die flexible Schaltung 62 elektrisch mit den
Treiberschaltungen 60 verbunden.
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Alternativ
kann der ausgesparte Bereich 108 weggelassen werden, wenn
der Druckkopferhitzer 58 am Hauptbereich der flexiblen
Schaltung 62 in Richtung weg vom Druckkopf 44 verbunden
ist. Bei dieser Ausführungsform
wird die Wärme vom
Druckkopferhitzer 58 durch die flexible Schaltung 62 und
in den Druckkopf 44 zum Teil durch die piezoelektrischen Übertrager
geleitet. Die piezoelektrischen Übertrager
sind keine guten Wärmeleiter,
aber das ist der Edelstahl, aus dem der Druckkopf 44 gefertigt
ist, auch nicht. Diese Ausführungsform
ermöglicht
eine direktere Wärmeleitung
zu der den Düsen 46 benachbarten
Tinte.
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7 ist
ein Aufsicht auf den Druckkopferhitzer 58. Der Druckkopferhitzer 58 ist
in 28 Heizzonen Z1 bis Z28 (durch gestrichelte Linien verbunden)
aufgeteilt, die in X- und Y-Richtung um den ausgesparten Bereich 108 angeordnet
sind. Ein ausgesparter Bereich 109 für den in der Heizzone Z9 angeordneten
Sensor ermöglicht
den Zugang eines wahlweise an der Oberfläche befestigten Chip-Temperatursensor,
der anstelle des Thermistors 104 verwendet werden kann.
Ein schlangenförmiges
Heizelement 110 ist mit dem Temperaturregler über zwei
Kontakte 112 elektrisch verbunden. Der elektrische Widerstand
des Heizelements 110 innerhalb einer bestimmten Heizzone
wird durch seine Zusammensetzung, den Querschnittsbereich und die Länge innerhalb
der Zone bestimmt. Die Länge
des Heizelements 110 in jeder Heizzone ist eine Funktion
der Anzahl von „Spuren", die durch schlangenförmige Richtungsumkehrungen
des Elements erzeugt werden, deren Anzahl wiederum eine Funktion
des Elementabstands zwischen den Spuren ist.
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Das
Heizelement 110 ist aus ca. 0,025mm dicker Inconel®-(Legierung
600) Widerstandsfolie geätzt. Das
Heizelement ist gemäß der nachfolgenden
Tabelle 2 in jeder Heizzone auf eine bevorzugte Breite, einen Abstand
und einen Widerstandswert geätzt.
Alle Widerstandswerte wurden durch eine Computer-Modellanalyse der gescannten Infrarot-Temperaturverlaufsmessungen
eines festen Models des Druckkopfes 44 bestimmt.
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Der
Temperaturregler versorgt den Druckkopferhitzer
58 und
die Patronenerhitzer
56 mit einer durch einen Nulldurchgangs-Festkommazyklus
gesteuerte Leitungsspannung von nominal 120 Volt Wechselspannung
Spannung von nominal 120 AC Volt. Dem Fachmann ist bekannt, daß die angelegte
Spannung, Temperatursteuerung und der Widerstand des Druckkopferhitzers
58 verändert werden
können
und trotzdem das gewünschte
Ergebnis erzielt werden kann – nämlich eine
gleichmäßige Tintentemperatur über den
gesamten Druckkopf
44. Tabelle
2
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8 zeigt
einen bevorzugten Aufbau eines Querschnitts durch den Druckkopferhitzer 58.
Eine 0,5 mm dicke Wärmeverteiler-Kupferfolienschicht 120 bildet
den Hauptbestandteil des Laminats. Das Heizelement 110 wird
aus einer Schicht von ca. 0,025 mm dicker Inconel®-(Legierung
600) Folie geätzt
und zwischen zwei Schichten aus ca. 0,025 mm dickem Kapton®-Folie 112 laminiert.
Die Kupferfolienschicht 120, das Heizelement 110 und
die Kapton®"Schichten 112 sind
durch Schichten von ca. 0,023 mm dicker WA®"Klebefolie 114 zur
Bildung eines ca. 0,20 mm dicken zusammengesetzten Laminats verbunden.
Die Kapton®"- und WA®"Folie werden von
der Firma E.I. DuPont de Nemours & Company,
Wilmington, Delaware hergestellt. Die Kupfergrundschicht 120 des
Druckkopferhitzers 58 ist mit dem Druckkopf 44 durch
eine weitere Schicht WA®"Klebefolie verbunden (nicht gezeigt),
die vorzugsweise nicht Teil des Druckkopfes 58 ist.
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Alternative
Ausführungsformen
von Teilen dieser Erfindung umfassen z.B. die Verwendung anderer Temperatursensoren
als der beschriebenen Thermistoren und oberflächenbefestigter (SMC) Chip-Sensoren sowie
die Verwendung von mehr als einem Sensor als Teil der Temperaturreglerschleife.
Die Position eines Temperatursensors auf dem Druckkopf ist nicht
kritisch. Entsprechend kann ein Druckkopferhitzer ein einzelnes
Kontaktpaar haben oder separate Kontaktpaare, die über eine
Mehrzahl von Heizzonen reichen (Z1 bis Z15 und Z16 bis 28 bei der
zweiten Ausführungsform).
Die oberen und unteren Zonen können
um den äußeren Rand
oder über
einen Bereich eines Druckkopfes verteilt sein. Obere und untere
Heizzonen können
auch durch unterschiedliche Spannungen angetrieben werden, die möglicherweise
von den separaten Temperaturreglern erhalten werden. Der Druckkopferhitzer
kann auch anders beschaffen sein als das bevorzugte zusammengesetzte
Laminat. Z.B. wäre
eine Vielzahl von getrennten Heizelementen, die an den richtigen
Stellen positioniert sind und eine angemessene Watt-Dichte aufweisen,
ebenfalls geeignet, wie auch ein entsprechend abgestimmtes Hybrid-Widerstands-Netzwerk
mit dickem oder dünnem
Film. Natürlich
wäre auch
ein Heizelement mit einer konisch zulaufenden, anstatt einer abgestuften,
Watt-Dichte-Verteilung eine geeignete Alternative. Schließlich ist
die Verwendung eines solchen Druckkopferhitzers nicht auf Tintenstrahldrucker
wie z.B. den Drucker 35 beschränkt, sondern für jeden
Phasenwechsel-Tintenstrahldrucker geeignet, der eine gleichmäßige Tintentemperatur
in X-, Y- oder Schrägrichtung
des Druckkopfes benötigt.
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Dem
Fachmann ist klar, daß ohne
Abweichung von den erfindungsgemäß zugrundeliegenden
Prinzipien viele Veränderungen
an den oben beschriebenen Ausführungsformen
vorgenommen werden können. Weiterhin
ist darauf hinzuweisen, daß die
vorliegende Erfindung auch in anderen Anwendungen zur Temperaturregelung
und nicht nur zur Temperaturregelung bei Phasenwechsel-Tintenstrahldruckern
anwendbar ist.