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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung
von Tintentropfen mit variablem Tropfenvolumen, insbesondere bei
einem kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldrucker. Die Erfindung
betrifft weiterhin eine Druckvorrichtung mit einer solchen Vorrichtung.
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Kontinuierlich
arbeitende Tintenstrahldrucker werden seit vielen Jahren industriell
zur Kennzeichnung von unterschiedlichsten Produkten eingesetzt.
Das Arbeitsprinzip dieser Tintenstrahldrucker funktioniert so, dass
eine zu verdruckende Tinte aus einem Vorratsbehälter über Pumpen mit Überdruck
in eine im eigentlichen Druckkopf sich befindende Druckkammer gefördert wird,
welche insbesondere an der dem zu bedruckenden Gut zugewandten Seite eine
Düse aufweist.
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Die
Düse kann
hierbei einen Öffnungsdurchmesser
im Bereich von 30 μ bis
200 μm haben.
Aus der Düse
tritt nun der Tintenstrahl zunächst
als kontinuierlicher Tintenstrahl aus, was jedoch für eine Beschriftung
unzweckmäßig ist,
da die hierbei erzeugten Schriftzeichen bei dieser Art der Beschriftung
aus einzelnen Punkten beziehungsweise einzelnen Tintentropfen aufgebaut
sein sollen. Um den Tintenstrahl in einzelne gleichartige, insbesondere
gleich große
Tintentropfen zu zerlegen, ist an der Druckkammer ein Modulationselement
angebracht, welches Druckschwankungen in dem aus dem Druckkopf austretenden
Tintenstrahl erzeugt, so dass dieser Tintenstrahl nach dem Austritt
aus der Düse,
insbesondere nach kurzer Zeit und in einem definierten Abstand,
in einzelne insbesondere gleichgroße Tintentropfen aufbricht.
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Die
Größe der Tintentropfen
hängt dabei
unter anderem von der angelegten Modulationsfrequenz, dem Düsendurchmesser
und dem von der Pumpe erzeugten Druck ab, und lässt sich innerhalb der aus
der Kombination der genannten Parameter vorgegebener Grenzen für das System
einstellen. Eine Variation der Tropfengröße einander nachfolgender Tintentropfen
ist dabei nicht möglich.
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Kurz
vor dem Abreißen
der Tintentropfen vom ausgetretenen Tintenstrahl werden die Tintentropfen
jeweils mit einer individuellen elektrischen Ladung versehen, wobei
die Höhe
der Ladung von der gewünschten
Auftreffposition auf dem zu beschriftenden Produkt abhängt. Um
das elektrische Aufladen zu gewährleisten,
weist die Tinte eine geringe elektrische Leitfähigkeit auf. Während des
Ladevorganges ist der Tintentropfen noch nicht von dem aus der Düse des Tintenstrahldruckers
ausgetretenen Tintenstrahl abgerissen, so dass aufgrund von elektrischer
Influenz freie Ladungsträger
in der Tinte je nach Polarität
und Stärke
einer äußeren Ladespannung
zur Ladeelektrode hinbewegt werden oder von ihr wegbewegt werden,
wobei die Tintenkammer und damit das Tintenreservoir beispielsweise
elektrisch auf Massepotential gehalten wird. Die Ladeelektrode hat
dabei keinen mechanischen Kontakt zum Tintenstrahl.
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Reißt der Tintentropfen
nun von dem Tintenstrahl ab, während
er sich im Feldbereich der Ladeelektrode befindet, so verbleiben
die durch die Influenz in den Tropfen gewanderten elektrischen Ladungen in
dem Tropfenvolumen und dieses erscheint auch nach dem Abriss nach
außen
hin elektrisch geladen. Wird beispielsweise die Ladeelektrode positiv
aufgeladen, so wandern beim Eintritt des Tintenstrahls in das elektrische
Feld der Ladeelektrode die negativen freien Ladungsträger in der
Tinte in das Feld hinein, wohingegen die positiv geladenen freien
Ladungsträger
in der Tinte aus dem elektrischen Feld herausgedrängt werden.
Dadurch findet eine Ladungstrennung unmittelbar vor dem Abriss des
Tropfens an der Vorderkante des Tintenstrahls statt und das so erzeugte
Ladungsungleichgewicht in dem abreißenden Tropfen bleibt erhalten
und der Tropfen verlässt
in diesem Beispiel negativ geladen den Feldbereich der Ladeelektrode.
Da der Tintentropfen konstruktionsbedingt und prinzipbedingt während der
Einflusszeit der Ladespannung auf den Tropfen abreißt, bleibt wie
beschrieben auf dem abgelösten
Tintentropfen eine Ladungsmenge zurück, deren Größe bei einer konstanten
elektrischen Leitfähigkeit
der Tinte entsprechend der Höhe
der angelegten Ladespannung ist, so dass bei einer Veränderung
der Ladespannung somit auch die Ladungsmenge auf jedem Tropfen verändert werden
kann.
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Auf
ihrem zunächst
geradlinigen Flug treten die elektrisch geladenen Tintentropfen
nachfolgend in das elektrostatische Feld einer Ablenkvorrichtung, z.B.
eines Plattenkondensators ein und werden je nach ihrer individuellen
Ladung mehr oder weniger aus ihrer geradlinigen Flugbahn abgelenkt,
und fliegen nach dem Verlassen des elektrostatischen Feldes unter
einem von ihrer Ladung abhängigen
bestimmten Winkel zu ihrer ursprünglichen
Flugbahn weiter.
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Mit
diesem Prinzip können
unterschiedliche Auftreffpositionen auf einer zu beschriftenden
Oberfläche
mit einzelnen Tintentropfen angewählt werden, wobei dies in dieser
Ausführung
nur in einer Ablenkrichtung erfolgt. Zum Ausblenden einzelner Tropfen
aus dem Schriftbild oder wenn nicht gedruckt werden soll erhalten
die Tintentropfen eine bestimmte feste Ladung oder bleiben ungeladen,
so dass sie nach dem Austritt aus dem elektrostatischen Feld des Plattenkondensators
in ein Auffangrohr treffen, von wo sie über ein Pumpensystem in den
Tintentank zurückgepumpt
werden. Dadurch zirkuliert die nicht verdruckte Tinte im Kreis,
was zu der Bezeichnung kontinuierlich arbeitender Tintenstrahldrucker
geführt hat.
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Nachteilig
an der geschilderten Ausführung ist,
dass aufgrund der systembedingten Erzeugung der Tintentropfen diese
stets innerhalb enger Toleranzen eine gleiche Größe aufweisen, so dass ein mit diesen
Tropfen erzeugtes Schriftbild stets gleich große Druckpunktgrößen aufweist.
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Im
Gegensatz hierzu ist es aus der Drucktechnik bekannt, zur Herstellung
von Graustufungen und Farbverläufen
in gedruckten Bildern Druckpunkte unterschiedlicher Größe zu verwenden,
um so dem Auge des Betrachters einen visuellen Eindruck von Graustufen
oder Farbverläufen
zu ermöglichen. So
können
beispielsweise bei allen Druckverfahren, welche eine Druckform benutzen,
die einzelnen Druckpunkte bei der Herstellung der Druckform entsprechend
der Vorlage unterschiedlich groß ausgeführt werden,
was im Druck zu unterschiedlich großen Druckpunkten führt.
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Ebenso
ist bekannt, bei Tintenstrahldruckern des Drop-On-Demand Typs (DOD)
unterschiedlich große
Druckpunkte zu realisieren, indem beim Drucken eine unterschiedliche
Anzahl von kleinen Tropfen gleicher Größe auf der Oberfläche des
zu bedruckende Gutes zu einem gemeinsamen größeren Druckpunkt überlagert
wird.
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Nachteilig
bei den bekannten Verfahren ist, dass sie zum einen keine Variabilität der Druckdaten innerhalb
des Druckprozesses ermöglichen,
da sie Druckformgebunden arbeiten, oder im Falle der DOD Verfahren
systembedingt nur einen, insbesondere im Kennzeichnungsbereich nachteiligen
geringen Arbeitsabstand der Druckköpfe zu der zu bedruckenden
Oberfläche
aufweisen. Da DOD Drucker stets eine Vielzahl von Düsen in einem
Druckkopf aufweisen, können
darüber
hinaus in diesen Druckköpfen nur
Tinten verwendet werden, welche entweder keine oder sehr langsame
Trocknungseigenschaften aufweisen oder strahlungshärtende Tinten
sind, da andernfalls die Tinte in einzelnen Düsen, die während eines bestimmten Druckbildes
nicht oder nur selten verwendet werden, eintrocknen, wodurch diese
Düse ausfallen.
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Der
Einsatz von strahlungshärtenden
Tinten behebt zwar dieses Problem, erfordert jedoch durch den zusätzlichen
Einsatz von nachgeschalteten Härtungseinrichtungen
einen erheblich höheren
apparativen Aufwand und erheblich höhere Kosten. Durch den genannten
geringen Arbeitsabstand ist es darüber hinaus nicht möglich, eine
beispielsweise strukturierte Oberfläche mit hoher Schriftqualität zu kennzeichnen,
da die Flugbahnen der ausgestoßenen Tintentropfen
nach kurzer Distanz so instabil werden, dass eine gewünschte Auftreffposition
nicht mehr zuverlässig
getroffen wird und damit auch ein aus mehreren Tintentropfen zusammengesetzter
Druckpunkt nicht mehr als geschlossener Druckpunkt mit definierter
Form gedruckt werden kann.
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Die
Verwendung der oben genannten Tinten sind bei diesen Systemen zwingend
erforderlich, da solche DOD Systeme mit einer Vielzahl von Einzeldüsen arbeiten,
die je nach Bedarf angesteuert werden. Dabei ist es normal, dass
eine einzelne Düse entsprechend
des zu druckenden Schriftbildes über einen
längeren
Zeitraum nicht oder nur selten angesteuert wird, was bei Verwendung
einer schnell trocknenden Tinte beispielsweise einer lösungsmittelhaltigen
Tinte dazu führen
würde,
dass die Tinte in dieser Düse
eintrocknet und die Düsenöffnung verstopft.
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Wird
diese Düse
dann später
benötigt,
steht sie nicht mehr zur Verfügung
und es ist eine Reinigung, häufig
auch eine manuelle Reinigung des Druckkopfes erforderlich. Im Unterschied
hierzu können
die kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldrucker Tinten verdrucken,
die eine extrem kurze Trocknungszeit aufweisen, da die in diesen
Tinten verwendeten Lösungsmittel
sehr schnell verdunsten.
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Dadurch,
dass in dieser Art der Tintenstrahldrucker die Tinte kontinuierlich
aus der Düse
austritt, kann die Düse
nicht verstopfen und der Prozess nicht unterbrochen werden. Bisher
war es jedoch nicht möglich
mit kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldruckern dieser Art wahlweise
Tintentropfen unterschiedlicher Größe auch innerhalb eines Schriftbildes
zu erzeugen.
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Die
hier beschriebene Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung,
die bevorzugt mit dieser vorbeschriebenen Art von kontinuierlich
arbeitenden Tintenstrahldruckern eingesetzt werden kann. Die Erfindung
kann jedoch auch mit jeder anderen Art von Vorrichtung eingesetzt
werden, die geeignet ist, in einer Flugbahn aufeinander folgende
Tintentropfen von im Wesentlichen gleicher Größe und/oder elektrischer Ladung
und insbesondere gleichen Abstand zueinander zu erzeugen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen,
durch die es möglich
wird, insbesondere mittels eines kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldruckers,
eine frei programmierbare Kennzeichnung auf beliebige Oberflächen aufzubringen,
wobei die Kennzeichnung Druckpunkte von wahlweise unterschiedlicher
Größe beinhalten kann,
die bevorzugt jeweils von nur einem Tintentropfen mit wahlweise
unterschiedlichem Tropfenvolumen erzeugt werden.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch ein Verfahren, bei dem eine frei wählbare Anzahl
von im Flug aufeinander folgenden Tintentropfen während des Fluges
miteinander vereinigt werden, insbesondere während des Fluges von einer
Austrittsdüse
eines die Tropfen erzeugenden Tintendruckkopfes bis zum Auftreff-Ort
auf einem Bedruckstoff. Gelöst
wird die Aufgabe weiterhin durch eine Vorrichtung, die z.B. in einem
kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldrucker zum Einsatz kommen
kann, bei der eine frei wählbare Anzahl
von im Flug aufeinander folgenden Tintentropfen während des
Fluges miteinander vereinigbar sind, insbesondere während des
Fluges von einer Austrittsdüse
eines die Tropfen erzeugenden Tintendruckkopfes bis zum Auftreff-Ort
auf einem Bedruckstoff.
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Wesentlich
für die
Erfindung ist es somit, dass unterschiedlich große Tintentropfen nicht originär erzeugt
werden, was komplizierte Vorrichtungen voraussetzt, sondern dass
zunächst
mit einer Vorrichtung, wie z.B. dem vorbeschriebenen kontinuierlich
arbeitenden Tintenstrahldruckkopf oder jeder anderen Tintentropfenerzeugungsvorrichtung
Tintentropfen von im Wesentlichen und bevorzugt innerhalb enger
Toleranzen gleicher Größe erzeugt
werden. Es kann somit für
die Erzeugung dieser Tintentropfen, die in einer ursprünglichen
Flugbahn aufeinander folgend und insbesondere mit äquidistanten
Abstand fliegen, sofern nicht einzelne Tropfen unterdrückt bzw.
ausgeblendet werden, auf bestehende und etablierte Techniken zurückgegriffen
werden.
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Kerngedanke
der Erfindung ist es, wahlweise unterschiedlich große Tropfen
bzw. Tropfen mit wahlweise unterschiedlichen Tropfenvolumen zu erhalten,
indem eine wahlweise Anzahl von aufeinander folgenden Tintentropfen
miteinander zu einem Tropfen vereinigt werden. Hat somit ein jeder
der ursprünglichen
einzelnen Tropfen ein Volumen von V, so hat der aus n Tropfen vereinigte
gemeinsame Tropfen ein Volumen von n × V.
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Die
Vereinigung einzelner Tropfen zwischen dem Ort der Erzeugung, wie
z.B. nach einer Druckkammer eines Tintendruckkopfes und dem Ort
des Auftreffens auf einen Bedruckstoff kann irgendwo während der
gesamten Flugzeit erfolgen, also z.B. bevor die einzelnen ursprünglichen
Tropfen abgelenkt werden oder nachdem die ursprünglichen Tropfen abgelenkt
wurden.
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Gemäß der Erfindung
wird die Größe eines Druckpunktes
auf einer zu kennzeichnenden Oberfläche durch die Anzahl der zu
einem gemeinsamen Tropfen vereinigten Tintentropfen bestimmt. Es
ist auf diese Weise möglich,
beispielsweise bei einer mehrzeiligen Kennzeichnung eines Produktes
die jeweiligen Zeilen mit unterschiedlich großen Druckpunkten zu schreiben
oder auch innerhalb einer Druckzeile einzelne Zeichen oder nur einzelne Druckpunkte
mit einer anderen Druckpunktgröße zu schreiben,
um so beispielsweise besondere Effekte, Hervorhebungen oder Verläufe insbesondere
an gerundeten Kanten von Logos oder Sonderzeichen besser darzustellen.
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Erfindungsgemäß werden
somit durch einen beliebigen Tropfenerzeuger in einem ersten Schritt z.B.
in bekannter Weise Tintentropfen gleicher Größe mit einer bestimmten Folge-Frequenz
erzeugt, insbesondere indem wie eingangs beschrieben eine Tinte mittels
einer Pumpe aus einem Tintentank in eine Druckkammer gepumpt wird,
an deren einem Ende sich eine Düse
befindet. Ein an der Druckkammer angebrachtes Modulationselement
moduliert den Druck in der Druckkammer dergestalt, das der aus der
Düse austretende
Tintenstrahl, insbesondere nach einer definierten kurzen Entfernung,
in einzelne Tintentropfen von im Wesentlichen gleicher Größe aufbricht.
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Eine
unmittelbar vor der Düse
(in Flugrichtung nach der Düse)
angebrachte Ladeeinrichtung beaufschlagt durch Influenz wie eingangs
beschrieben jeden austretenden Tintentropfen mit einer elektrostatischen
Ladung. Erfindungsgemäß können die austretenden
Tintentropfen insbesondere Tintentropfen eines Tropfenzuges oder
einer Tropfengruppe, aus welchen ein gemeinsamer, größerer Tintentropfen
in einem nachfolgenden Schritt gebildet werden soll, mit einer konstanten,
für alle
Tropfen zumindest im Wesentlichen gleichen Ladung versehen werden.
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Um
eine gewünschte
Anzahl von einzelnen ursprünglichen
Tropfen zu vereinen, kann es gemäß der Erfindung
vorgesehen sein, dass die Tintentropfen mittels eines im Wesentlichen
in Flugrichtung der Tropfen wirkenden elektrischen Feldes, insbesondere
in einer Elektrodenanordnung, individuell und/oder wahlweise beschleunigt
oder verzögert
werden. Wesentlich hierfür
ist, dass alle zu vereinenden einzelnen Tintentropfen zunächst die
gleiche Geschwindigkeit in einer Richtung haben. Hierbei kann es
sich um die ursprüngliche
Richtung oder auch um eine abgelenkte Richtung handeln. Dadurch,
dass die zu vereinenden Tropfen ein elektrisches Feld durchlaufen, dessen
Feldlinien zumindest im Wesentlichen parallel zur Flugrichtung verlaufen,
können
die Tropfen je nach Stärke
und Richtung des elektrischen Feldes individuell beschleunigt oder
auch abgebremst werden. Die Tropfen einer Tropfengruppe, die ein
solches elektrisches Feld durchlaufen, können sich sodann vereinen,
wenn auf verschiedene Tropfen der Tropfengruppe ein unterschiedliches
elektrisches Feld wirkt.
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Eine
Vorrichtung, zur Erzeugung eines solchen elektrischen Feldes kann
z.B. durch eine Elektrodenanordnung gebildet werden, insbesondere
mit wenigstens zwei in Flugrichtung der Tropfen hintereinander angeordneten
Elektroden. Diese können derart
angeordnet sein, dass die Flächennormalen der
Elektroden zumindest im Wesentlichen parallel zur Flugrichtung der
Tintentropfen angeordnet sind.
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Die
Elektroden können
als Plattenelektroden von im Wesentlichen beliebiger Form gebildet
werden, die eine Ausnehmung aufweisen, durch die die Tropfen im
Wesentlichen senkrecht zur Plattenoberfläche hindurch fliegen.
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Es
kann dabei vorgesehen sein, dass die Tropfen einer Tropfengruppe
beim Durchfliegen einer Elektrodenanordnung mittels einer einstellbaren Spannung zwischen
den Elektroden der Elektrodenanordnung jeweils unterschiedlich stark
beschleunigt oder verzögert
werden, so dass die in der Tropfengruppe voran fliegenden Tropfen
verzögert
und die nacheilenden Tropfen beschleunigt werden. Somit holen die
in der Tropfengruppe nacheilenden Tropfen die voran fliegenden Tropfen
ein und die Tropfen können
sich verbinden zu einem gemeinsamen Tropfen von größerem Volumen.
Dies kann derart erfolgen, dass sich die Tropfen der Tropfengruppe
erst nach dem Verlassen der Elektrodenanordnung im weiteren Flug
zu einem gemeinsamen Tropfen vereinigen, insbesondere kurz nach
der Elektrodenanordnung.
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Die
Anordnung einer Vorrichtung zur Vereinigung der Tintentropfen kann
mit Bezug auf einen vorbeschriebenen Tintenstrahldrucker sowohl
vor einer Ablenkvorrichtung für
die Tintentropfen als auch danach erfolgen. Eine Anordnung vor einer
Ablenkeinrichtung hat den Vorteil, dass die Elektrodenanordnung
exakt senkrecht zur ursprünglichen
Flugrichtung ausgerichtet werden kann.
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Bei
einer Anordnung nach einer Ablenkeinrichtung können die Tintentropfen oder
Gruppen von Tintentropfen viele verschiedene Richtungen aufweisen.
Eine Elektrodenanordnung aus zwei oder mehr parallelen Elektroden
kann daher nur für
eine ausgezeichnete Richtung exakt senkrecht zur Richtung angeordnet
sein. Für
die übrigen
möglichen
Richtung kann diese Ausrichtung nur im Wesentlichen korrekt sein.
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Es
kann jedoch gemäß der Erfindung
vorgesehen sein, die Elektroden der Elektrodenanordnung an die wenigstens
eine Ablenkeinrichtung der Tropfen derart anzupassen, dass für jede Richtung
der Tintentropfen nach der wenigstens einen Ablenkrichtungen die
Flächennormalen
der Elektroden, insbesondere am Eintrittsort der Tropfen in die
Elektrodenanordnung und die Richtung der Tintentropfen zueinander
parallel sind. Hierfür
können
die Elektroden z.B. um einen Mittelpunkt gebogen ausgeführt sein.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführung kann
es vorgesehen sein, dass die Elektroden der Elektrodenanordnung
einen Abstand zueinander aufweisen, der kleiner oder gleich dem
mittleren Abstand der sie durchquerenden Tintentropfen ist. Hierdurch
wird gewährleistet,
dass immer nur ein Tintentropfen aus einer Tintentropfengruppe,
die es zu vereinen gilt, zwischen den Elektroden angeordnet ist und
somit das elektrische Feld auch nur auf diesen einen Tintentropfen
wirkt. Jeder einzelne Tintentropfen kann somit eine anderen Feldstärke und
Feldrichtung erfahren, wenn eine Änderung des Feldes zeitlich
zwischen zwei aufeinander folgenden Tropfen erfolgt.
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Bei
einer Anordnung einer Vorrichtung zur Vereinigung von einer gewünschten
Anzahl von Tintentropfen nach einer Ablenkeinrichtung für die ursprünglich erzeugten
Tropfen können
die ursprünglichen
Tropfen entlang ihres Fluges nach der Erzeugung zunächst in
eine Ablenkeinrichtung gelangen, welche so gestaltet sein kann,
dass jedem Tintentropfen ein mit der Tropfenbewegung synchron mitlaufendes,
individuelles elektrisches Querfeld variabler Stärke und Dauer zugeordnet werden
kann, so dass die Tintentropfen jeweils unterschiedliche Ablenkwinkel
erfahren können.
Auf diese Weise lassen sich auch bereits genannte Tropfenzüge/Tropfengruppen,
bestehend beispielsweise aus n Einzeltropfen, generieren, deren
Einzeltropfen alle oder auch nur eine bestimmte Anzahl davon in
die gleiche Raumrichtung abgelenkt werden. So kann eine Tropfengruppe
mit einer gewünschten
Anzahl von Tropfen aus der ursprünglichen
Richtung in eine gewünschte
Richtung abgelenkt werden.
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Mittels
einer nachgeschalteten Elektrodenanordnung, deren elektrisches Feld
im Wesentlichen entlang der Flugrichtung ausgerichtet ist, werden
nun synchron zu den sie durchfliegenden Tropfen, insbesondere der
Tropfengruppe, die voraneilenden Tropfen mittels des elektrischen
Feldes gebremst und die nacheilenden Tropfen mit einem elektrischen
Feld umgekehrter Polarität
beschleunigt, so dass sich alle Tropfen einer Tropfengruppe, insbesondere
nach einer kurzen Distanz nach der Elektrodenanordnung im Flug vereinigen.
Je nach Anzahl der in einem Tropfenzug beinhalteten Tropfen ergeben
sich so Drucktropfen mit 1, 2, 3, ... Anfangstropfenvolumina.
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Die
Elektrodenanordnung zur Vereinigung von Tintentropfen kann auch
vor einer Ablenkvorrichtung angeordnet werden. Dann erfolgt zunächst eine Vereinigung
der Tropfen und dann eine Ablenkung der im Volumen vergrößerten Tropfen.
Dies kann mit dergleichen Ablenkvorrichtung geschehen, wie sie zuvor
beschrieben wurde. Das ablenkende elektrische Feld wirkt sodann
jeweils auf den vereinigten Tropfen.
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Den
bisherigen Stand der Technik und Ausführungen der Erfindung zeigen
die nachfolgenden Figuren. Es zeigen:
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1:
Den schematischen Aufbau eines kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldruckers
gemäß Stand
der Technik;
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2:
Eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführung eines
kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldruckers zur Erzeugung variabler
Tropfengrößen;
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3:
Eine schematische perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführung der
Elektrodenanordnung zur Geschwindigkeitsmodulation der abgelenkten
Tropfen;
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4a, 4b:
Eine schematische Darstellung des Spannungsverlaufes bezogen auf
die in 2 gezeigten erfindungsgemäßen Ausführung zur Modulation der Geschwindigkeit
bei unmittelbar einander nachfolgenden Tropfenzügen;
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5a, 5b:
Eine schematische Darstellung des Spannungsverlaufes bezogen auf
die in 2 gezeigten erfindungsgemäßen Ausführung zur Modulation der Geschwindigkeit
bei Lücken
zwischen den einander nachfolgenden Tropfenzügen;
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6:
Eine Druckvorrichtung, bei der eine Elektrodenanordnung zur Vereinigung
von Tropfen vor einer Ablenkeinrichtung angeordnet ist;
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7: Beispiel der Verläufe der Spannungen zwischen
den zwei Elektroden einer Elektrodenanordnung gemäß 6 zur
Vereinigung der Tropfen.
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1 zeigt
zum Vergleich mit der Erfindung beispielhaft einen Druckkopf eines
bekannten konventionellen kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldruckers.
Die Tinte 1 wird zunächst
aus einem Vorratsbehälter 2 mittels
einer Pumpe 3 über
Zuleitungen 4a in die Druckkammer 5 gepumpt, an
deren einem Ende eine Düse 6 eingebracht
ist. Über
zusätzlich
an der Druckkammer angebrachte Modulationseinrichtungen 7 wird
der Druck in der Druckkammer 5 moduliert, so dass der aus
der Düse 6 austretende
Tintenstrahl 9 in kurzer Entfernung nach seinem Austritt
in einzelne Tintentropfen 11 von im Wesentlichen gleicher
Größe aufbricht.
Kurz vor dem Aufbrechen werden die einzelnen Tintentropfen 11 über eine
Ladeelektrode 8 mit einer individuellen elektrischen Ladung
versehen.
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Entlang
ihrer Flugbahn 100 treten die Tintentropfen 11 nun
in ein elektrisches Feld 21 ein, das mittels der Elektroden 20a und 20b des
Plattenkondensators 20 gebildet ist. In Abhängigkeit
der Ladungsmenge und der Polarität
der Ladungen auf den Tintentropfen 11 sowie der Polarität und Stärke des elektrischen
Feldes 21 im Feldraum des Plattenkondensators 20 werden
die einzelnen Tintentropfen in unterschiedliche beispielhaft dargestellte
Raumrichtungen 103, 104 abgelenkt.
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Die
gesamte Anzahl der möglichen
Ablenkungswinkel hängt
dabei lediglich von der Ansteuerung der Ladeelektrode ab und ist
prinzipiell nicht beschränkt.
Die einzelnen Platten 20a und 20b des Plattenkondensators 20 können dabei
gegeneinander geneigt sein, wie in 1 gezeigt.
Es ist aber ohne Beschränkung
der Allgemeinheit ebenso möglich
parallel zueinander angeordnete Platten zu verwenden.
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Die
Polarität
und Stärke
des elektrischen Feldes 21 wird in dieser Ausführung zweckmäßigerweise
im Wesentlichen konstant gehalten, da sich eine Änderung der Feldstärke auf
eine Vielzahl von Tropfen, die sich zu diesem Zeitpunkt im Feldraum
des Plattenkondensators befinden, gleichzeitig auswirkt und damit
eine Beeinflussung eines einzelnen Tropfens unmöglich ist.
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Nach
dem Verlassen des Feldraumes 21 des Plattenkondensators 20 wirkt
keine elektrostatische Kraft mehr auf die Tintentropfen 11 und
diese behalten ihre neuen Flugbahnen 103, 104 bei.
Es ergibt sich so eine fächerförmig angeordnete
Schar von Flugbahnen. Tintentropfen 11, die beispielsweise nicht
oder nur gering geladen wurden, da sie aus dem Schriftbild ausgesondert
werden müssen,
erfahren in dem elektrostatischen Feld 21 des Plattenkondensators 20 beispielsweise
keine oder nur eine geringe Ablenkung und treffen in eine Öffnung 19 eines Fangrohres 18 zur
Tintenrückführung. Die
so aufgefangene Tinte wird über
Zuleitungen 4b wieder in den Tintenbehälter 2 geleitet und
so dem Tintenkreislauf wieder zugeführt.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung
zur Erzeugung und Ablenkung von Tintentropfen mit variabler Tropfengröße eines kontinuierlich
arbeitenden Tintenstrahldruckers. Die Tropfenerzeugung selbst erfolgt hierbei
in der oben geschilderten Weise gemäß 1.
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Die
Erzeugung kann jedoch auch auf jede andere Art erfolgen, erfindungswesentlich
ist die Art der Tropfenvereinigung während des Fluges. Die Tinte 1 wird
ebenfalls zunächst
aus einem Vorratsbehälter 2 mittels
einer Pumpe 3 über
Zuleitungen 4a in die Druckkammer 5 gepumpt, an
deren einem Ende eine Düse 6 eingebracht
ist. Über
ebenso zusätzlich
an der Druckkammer angebrachte Modulationseinrichtungen 7 wird
der Druck in der Druckkammer 5 moduliert, so dass der aus
der Düse 6 austretende
Tintenstrahl 9 in kurzer Entfernung nach seinem Austritt in
einzelne Tintentropfen 11 von im Wesentlichen gleicher
Größe aufbricht.
Kurz vor dem Aufbrechen werden die einzelnen Tintentropfen 11 über eine
Ladeelektrode 8 im Unterschied zur bekannten Ausführung jeweils
mit einer gleichen elektrischen Ladung versehen.
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Entlang
ihrer Flugbahn 100 treten die Tintentropfen 11 nun
in ein variables elektrisches Feld 44 ein, das mittels
der Elektroden 40a und 40b beziehungsweise E0
und E1 bis En der Elektrodenanordnung 40 gebildet ist.
Die Elektrodenanordnung 40 besteht dabei aus einer Anzahl
von Einzelelektroden E0 und E1 bis En, die quer zur Flugbahnen 100 der
Tintentropfen 11 so angeordnet sind, dass ihre jeweiligen
Abstände
zueinander dem Abstand einander nachfolgender Tintentropfen entspricht.
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Eine
Ablenkspannung U0, U1 bis Un an den Elektroden E0 und E1 kann dann über eine
geeignete elektronische Schaltung an die nachfolgenden Elektrode
E2, anschließend
an E3 usw. bis En weitergeschaltet werden, so dass sich ein in Bewegungsrichtung
der Tintentropfen mitlaufendes elektrisches Feld ergibt.
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Geschieht
dies entsprechend der Fluggeschwindigkeit der Tintentropfen, so
erfährt
jeder Tintentropfen eine individuelle elektrostatische Ablenkung.
Durch Variation der Stärke
und Dauer des auf jeden Tintentropfen einwirkenden elektrischen
Felds können
so unterschiedliche Ablenkwinkel für die Tintentropfen erzeugt
werden. Aus dem Schriftbild auszusondernde Tintentropfen erfahren
beispielsweise keine Ablenkung dadurch, dass das für sie mitlaufende
elektrische Feld verschwindet.
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Erfindungsgemäß ist es
damit möglich, Gruppen
von Tintentropfen 12 in bestimmte Richtungen abzulenken,
die aus mehreren Einzeltropfen bestehen. Auf jeden Einzeltropfen
einer Tropfengruppe wirkte somit bevorzugt das gleiche elektrische
Feld in der Ablenkreinrichtung.
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Hierbei
kann erfindungsgemäß entsprechend
einer Vorgabe in einer übergeordneten
elektronischen Ansteuerung die maximale Anzahl von Tropfen in einer
Tropfengruppe festgelegt werden, die der Anzahl der erfindungsgemäß erzeugten
unterschiedlichen Tropfengrößen entspricht.
Wird beispielsweise eine maximale Anzahl von 8 Tropfen pro Tropfengruppe
festgelegt, so lassen sich 8 unterschiedlich große Tintentropfen erzeugen,
was mit dem Zustand des Nichtdruckens zu 9 Graustufen führt. Mit
dieser Vorgabe verlassen die Elektrodenanordnung 40 jeweils
eine bestimmte Anzahl von einander nachfolgenden Tintentropfen einer
Tropfengruppe 12 in eine Ablenkrichtung, wobei die Anzahl der
in jeder Tropfengruppe vorhandenen Tintentropfen wie beschrieben
unterschiedlich sein kann.
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Die
so erzeugten Tropfengruppen gelangen nachfolgend in die Elektrodenanordnung 50,
umfassend die Elektroden 50a, 50b bzw. Ek1 und
Ek2, die jeweils Öffnungen 51a und 51b aufweisen.
Die Anordnung der Elektroden 50a und 50b ist dabei
so, dass das zwischen Ihnen durch Anlegen einer elektrischen Spannung
aufgebaute elektrische Feld im Wesentlichen in Flugrichtung der
Tintentropfen zeigt. Der Aufbau und die Anordnung der Elektroden 50a und 50b ist weiterhin
so, dass die Tintentropfen durch die Öffnungen 51a und 51b der
Elektroden 50a und 50b fliegen.
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Weiterhin
ist der Abstand der Elektroden 50a und 50b so
gewählt,
dass sich jeweils stets nur ein einzelner Tintentropfen im Zwischenraum
zwischen den Elektroden 50a und 50b befindet.
Wird nun eine elektrische Spannung Uk an die Elektroden Ek1 und Ek2
angelegt, so baut sich im Zwischenraum zwischen den Elektroden Ek1
und Ek2 ein elektrisches Feld auf, das je nach seiner Stärke und
Polarität
einen sich in diesem Feldraum befindlichen Tintentropfen entweder
beschleunigt oder abbremst.
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Dadurch,
dass sich jeweils nur ein einzelner Tintentropfen im Zwischenraum
befindet, wirkt die so erzeugte Kraft nur auf diesen Tintentropfen.
Es ist somit möglich,
durch Veränderung
der Stärke
und/oder der Polarität
der anliegenden Spannung Uk einander nachfolgende Tintentropfen
unterschiedlich stark zu beschleunigen oder abzubremsen.
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Um
nun die einzelnen Tintentropfen einer Topfengruppe zu einem gemeinsamen
Tintentropfen zu vereinigen ist es erfindungsgemäß vorgesehen die voranfliegenden
Tintentropfen einer Tropfengruppe so abzubremsen und die nachfolgenden
Tintentropfen so zu beschleunigen, dass sich alle Tintentropfen
einer Gruppe nach einer kurzen Distanz nach der Elektrodenanordnung 50 im
gemeinsamen Schwerpunkt der Tropfengruppe im Flug vereinigen. Hierdurch
ist gewährleistet,
dass die so erzeugten unterschiedlich großen Tintentropfen 101 im
Wesentlichen den gleichen Abstand zueinander haben und sich somit
ein Schriftbild ergibt, welches nach dem Auftreffen der Tintentropfen 101 auf
einem Substrat 200 unterschiedlich große Druckpunkte 201 beinhaltet
als auch der Abstand der Druckpunkte zueinander regulär ist.
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Die 3 zeigt
schematisch in perspektivischer Darstellung die Ablenkeinrichtung 40 und
die nachgeschaltete Elektrodenanordnung 50 sowie einige
beispielhafte Ablenkrichtungen 103, 104 und 105 der
Tintentropfen sowie schematisch dargestellte Tropfengruppen. Die
Form der Elektroden 50a und 50b kann dabei unterschiedlich
sein, beispielsweise rechteckig, Rund, oval oder eine andere dem
jeweiligen System angepasste Form aufweisen.
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Gleiches
gilt für
die Öffnungen 51a und 51b, welche
bevorzugt so ausgestaltet sein können,
dass sich eine möglichst
homogene elektrische Feldverteilung in dem von den Tintentropfen
durchquerten Raum zwischen den Elektroden 50a und 50b ergibt.
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Es
ist auch möglich,
die Elektrodenanordnung 50 in Flugrichtung der Tintentropfen
zylinderförmig,
kugelkalottenförmig
oder allgemein konkav auszuführen,
so dass unabhängig
vom Ablenkwinkel der jeweiligen Tintentropfen diese stets genau
entlang der elektrischen Feldlinien den Zwischenraum zwischen den
Elektroden 50a und 50b durchqueren.
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Die 4a, 4b und 5a, 5b zeigen
schematisch den Zusammenhang der Spannung Uk zu den jeweiligen Tintentropfen 11 der
jeweiligen Tropfengruppe 12. 4a zeigt
hierbei beispielhaft einen sägezahnartigen
Verlauf der Spannung Uk von einer positiven Spannung +Uk bis zu
einer negativen Spannung –Uk,
wobei jedes Teilstück 13a, 13b, 13c eines
sägezahnförmigen Spannungsintervalls 13 nur auf
den in der Zeichnung darüber
dargestellten Tintentropfen wirkt, welcher zu diesem Zeitpunkt die Elektrodenanordnung 50 durchquert.
Somit wirkt auf jeden Tropfen nur die für diesen Tropfen bestimmte Feldstärke, wodurch
der Tropfen mehr oder weniger stark abgebremst oder beschleunigt
wird.
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4b zeigt
beispielhaft eine andere Art der Ansteuerung der Elektroden 50a und 50b mit
einem stufenartigen Spannungsverlauf, so dass jeder Tintentropfen 11 beim
Durchfliegen des Feldraumes eine unterschiedliche aber konstante
Feldstärke
entsprechend der zu diesem Zeitpunkt wirkenden Spannung in dem jeweiligen
Teilstück 13a, 13b, 13c,
des Spannungsintervalls 13 erfährt. Es ist zweckmäßig die
Summen der beschleunigenden und abbremsenden Spannungen jeweils
konstant zu halten, besonders bevorzugt gleich Null. Hierbei können die
beschleunigenden bzw. abbremsenden Spannungen auch betragsmäßig unterschiedliche
Werte annehmen, was insbesondere bei der Vereinigung ungeradzahliger
Tintentropfen zu einem gemeinsamen Tintentropfen vorteilhaft sein
kann.
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Es
kann weiterhin vorteilhaft sein, der variablen Beschleunigungs-
bzw. Bremsspannung jeder Tropfengruppe eine Korrekturspannung dergestalt
zu überlagern,
dass Positionsabweichungen, die zwischen ungeradzahligen und geradzahligen
Tropfenvolumina auftreten können,
in der Beschriftungsebene kompensiert werden.
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Es
kann zweckmäßig sein,
zwischen den jeweiligen Tropfengruppen einen oder mehrere Tintentropfen
in das Fangrohr abzulenken, um so beispielsweise den in den 4a und 4b dargestellten Spannungssprung
zwischen einander nachfolgenden Tropfengruppen von –Uk nach
+Uk technisch einfacher zu realisieren. Die an diesen Stellen fehlenden
Tintentropfen sind in den 5a und 5b mit 11b gekennzeichnet.
Es ist weiterhin in den 4a, 4b, 5a, 5b dargestellt,
dass innerhalb einer Tropfengruppe nicht alle Tintentropfen vorhanden
sein müssen,
je nach gewünschter
Größe des resultierenden
Tintentropfens 101. Diese fehlenden Tintentropfen sind
mit 11a bezeichnet. Es ist weiterhin festzustellen, dass
jede der dargestellten Tropfengruppe einen unterschiedlichen Ablenkwinkel
aufweisen kann.
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In
einer anderen Ausführung
wie in 6 gezeigt ist es vorgesehen, die Vereinigung der
einzelnen Tintentropfen einer Tropfengruppe vor der aus der Elektrodenanordnung 40 gebildeten
Ablenkeinheit mittels der Elektrodenanordnung 50 durchzuführen, so
dass in der Ablenkeinheit 40 unterschiedlich große Tintentropfen
entsprechend der gewünschten Auftreffposition
auf einem Bedruckstoff angelenkt werden. In diesem Fall erfolgt
das Beschleunigen bzw. Abbremsen der Tropfen für die zu vereinigenden Tropfen
in der beschriebenen Weise, wohingegen die Spannung Uk für die auszublendenden
Tropfen zu null wird wie in den 7a und 7b gezeigt.