DE69408001T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Erwärmen der Tinte in einem Farbstrahldruckkopf - Google Patents

Description

• 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.
• 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.
• 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.
• 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 86ºC gummiartig und in ihrer Ausstoßtemperatur von ca. 130-140ºC flüssig ist. Bei Verwendung eines typischen Tintenstrahldruckkopfes und einer bestimmten Menge an Übertragerenergie verändert sich die Tintentropfen- Ausstoßgeschwindigkeit pro ºC um ca. 2 bis 3%.
• 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 3ºC können sichtbare Aufprallfehler verursachen.
• 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.
• 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 "Ausstoßauf-Abruf-Tintenstrahldruckkopft, 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.
• Differentielles Erhitzen des 96-Düsen-Dmckkopfes 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.
• Gemäß Fig. 1 wurde ein herkömmliches 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.
• 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.
• 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.
• Fig. 2 zeigt ein Temperaturhöhenprofil, erhalten durch Infrarot-Abtastung, über einer Düsenobertläche 24 des 96-Düsen-Druckkopfes, der durch das Heizelement 10 erhitzt wird. 2ºC-Höhenlinien 26 zeigen, daß die Temperatur über die Düsenoberfläche 24 hinweg um ca. 4ºC 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 4ºC aufweist. Eine weitere Verbesserung der Temperaturgleichmäßigkeit würde die Tintenaufprallzeit auf das Papier gleichmäßiger machen und somit die Aufprallgenauigkeit für den 96-Düsen- Druckkopf verbessern.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• Im folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von zwei beispielhaften Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
• Fig. 1 eine bildliche Darstellung eines herkömmlichen Tintenstrahl-Druckkopf- Erhitzers, dessen Heizzonen über die gesamte Breite des Druckkopfes verteilt sind; die elektrischen Zusammenschaltungen des Heizelements mit einem Temperaturregler und einem Temperatursensor sind schematisch angedeutet;
• Fig. 2 eine bildliche schematische Ansicht eines herkömmlichen 96-Düsen- Druckkopfes, der durch ein herkömmliches Heizelement gemäß Fig. 1 geheizt wird und über die Düsenoberfläche des Druckkopfes ein ungleichmäßiges Temperaturprofil hat;
• Fig. 3 eine schematische Ansicht eines Tintenstrahl-Druckkopf-Erhitzers&sub7; dessen Heizzonen über seine Breite und Höhe gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verteilt sind;
• Fig. 4 eine schematische Ansicht des 96-Düsen-Tintenstrahl-Druckkopfes, der durch das in Fig. 3 gezeigte Heizelement geheizt wird und über die Düsenoberfläche des Druckkopfes ein verbessertes Temperaturprofil zeigt;
• Fig. 5 eine schematische Seitenansicht einer Offsetdruck-Phasenwechsel- Tintenstrahldruck-Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 6 eine isometrische Expiosionsansicht eines Tintenstrahldruckkopfes, der Heizelemente, eines Tintenreservoirs und der Tinten- Vorschmelzkammern gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
• Fig. 7 eine Aufsicht auf ein flexibles Heizelement mit einer Vielzahl von Heizzonen gemäß der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform;
• Fig. 8 einen vergrößerten Querschnitt entlang der Linie 8--8 von Fig. 7, der die laminierten Schichten des flexiblen Heizelements zeigt.
• Fig. 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 (Fig. 1). Die verbesserte Flächennutzung verbessert die Wärmeverteilung in Quer- und Längsrichtung des verbesserten Heizelements 29.
• 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. Tabelle 1
• Fig. 4 zeigt ein Temperaturprofil über die Düsenoberfläche 24 des 96-Düsen- Druckkopfes, der von dem verbesserten Heizelement 29 (nicht gezeigt) erhitzt wird. 2ºC-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. 3ºC variiert. Jedoch liegen - im Gegensatz zu der Wärmeverteilung gemäß Fig. 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.
• Gemäß Fig. 5 druckt der Qffset-druckende Phasenwechsel-Tintenstrahldrucker 35 (im folgenden "Drucker 35") gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Bild gemäß dem nachfolgend beschriebenen Ablauf.
• 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 numerierte Elemente durch einen die Farbe der Tinte angebenden Buchstaben näher identifiziert. Z.B. ist die Düsenreihe 46C eine Düsenreihe für cyanfarbige Tinte.)
• 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.
• 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 Verstelischraube 50 positioniert wird.
• 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 Fig. 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.
• Auf dem Druckkopf 44 positionierte piezoelektrische Übertrager erhalten Buddaten 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.
• 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 Kiemmstelle 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.
• 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.
• 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.
• 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 3ºC geringer ist als bei unbewegter Walze. Gleichermaßen ist die Temperatur des Druckkopfes 44 um ca. 5 bis 6ºC geringer, wenn er für die regelmäßige Wartung von der Trommel 36 wegbewegt wird.
• 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.
• 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.
• Fig. 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• Fig. 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.
• 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 lnfrarot-Temperaturverlaufsmessungen eines festen Models des Druckkopfes 44 bestimmt.
• 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
• Fig. 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.
• 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.
• 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- Tintenstrahidruckern anwendbar ist.

Claims (23)

1. Vorrichtung zum Beibehalten eines festgelegten Tintentemperaturproflls innerhalb eines Phasenwechsel-Tintenstrahldruckkopfes (44) mit einer Vielzahl von Düsen, der aus einer Gruppe von entlang einer Vielzahl von Achsen des Druckkopfes angeordneten Bereichen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit Wärme verliert, wobei die Vorrichtung einen Temperatursensor (104) umfaßt, der elektrisch mit einem Temperaturregler und thermisch mit dem Druckkopf (44) verbunden ist, und ein Druckkopferhitzer (58) elektrisch mit dem Temperaturregler verbunden ist; wobei der Druckkopferhitzer eine Vielzahl von Heizzonen aufweist, die sich jeweils in thermischem Austausch mit einem zugehörigen Bereich des Druckkopfes befinden und eine proportionale Watt-Dichte aufweisen, die die Geschwindigkeit der Wärmeverluste der Bereiche ausgleichen, um das festgelegte Tintentemperaturprofi 1 im gesamten Druckkopf beizubehalten.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, in der das festgelegte Tintentemperaturprofil im wesentlichen einheitlich ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, in der die Heizzonen entlang einer X- Achse verteilt liegen, die sich im wesentlichen über die Breite eines Druckkopfdüsen-Feldes erstreckt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Breite des Druckkopfdüsen-Feldes mindestens 24 cm beträgt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Heizzonen entlang einer X- Achse und einer Y- Achse verteilt sind, die sich im wesentlichen über die jeweilige Breite und Höhe des Druckkopfes erstrecken.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Heizzonen entlang einer sich im wesentlichen über die Breite und Höhe des Druckkopfes erstreckenden X- und Y- Achse schräg verteilt sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Druckkopferhitzer so ausgebildet ist, daß die Heizzonen um den Umfang eines Bereichs verteilt sind, der in thermischem Austausch mit einer Druckkopfdüsen-Anordnung steht.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der der Druckkopferhitzer so geformt ist, daß die Heizzonen über einen Bereich verteilt sind, der in thermischem Austausch mit einer Düsenanordnung steht.

9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Heizzonen so bemessen sind, daß eine gleichmäßig kegelförmige Watt- Dichte-Verteilung im Druckkopferhitzer erreicht wird.

10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Druckkopferhitzer einheitlich ausgebildet ist und die einzige, mit dem Druckkopf in thermischem Kontakt stehende Heizeinrichtung ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Druckkopferhitzer durch ein dazwischen angeordnetes Substrat keinen direkten thermischem Kontakt zum Druckkopf hat.

12. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Druckkopferhitzer als flexibles, zusammengesetztes Laminat mit zumindest einem Widerstandsfolien-Erhitzer ausgebildet ist, das sich aus einer Vielzahl von Leitungsbereichen zusammensetzt, die durch Leitungsbreiten mit dazwischen liegenden Abständen definiert sind, wobei entweder die Leitungsbreiten oder die -abstände in der Größe variieren, um in jeder der Heizzonen einen festgelegten elektrischen Widerstandswert zu erzielen.

13. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Temperaturregler so ausgebildet ist, daß er den Druckkopferhitzer mit einer pulsdauer-modulierten elektrischen Spannung steuert.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der die elektrische Spannung eine Wechselstrom-Starkstrom-Spannung ist.

15. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Temperatursensor der einzige mit dem Druckkopf in thermischem Kontakt stehende Temperatursensor ist.

16. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Temperatursensor im thermischem Kontakt mit einer im wesentlichen zentralen Anordnung entlang einer X-Achse des Druckkopfes steht.

17. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Temperatursensor ein in den Druckkopf eingelassener Thermistor ist.

18. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 16, in der der Temperatursensor ein auf der Oberfläche einer größeren Fläche des Druckkopfes angebrachter Chip ist.

19. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Temperatursensor, der Temperaturregler und der Druckkopferhitzer Komponenten einer Druckkopf-Temperatur-Steuerungsschleife sind, deren thermische Reaktionszeit nicht mehr als 10 sec beträgt.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, bei der die thermische Reaktionszeit zwischen 1 und 7 sec liegt.

21. Verfahren zum Beibehalten einer gleichbleibenden Tintentemperatur innerhalb einer im wesentlichen medienbreiten Düsenanordnung eines Phasenwechsel-Tintenstrahlkopfes, wobei der Druckkopf in einer Anzahl von über die Breite der Düsenanordnung des Druckkopfes angeordneten Bereichen unterschiedlich schnell Wärme verliert, wobei das Verfahren das Feststellen der Temperatur des Druckkopfes umfaßt; Übertragen der erfaßten Temperatur an einen Temperaturregler; Steuern eines thermisch mit dem Druckkopf verbundenen Druckkopferhitzers; und Aufteilen des Druckkopferhitzers in eine Vielzahl verschiedener Heizzonen, die jeweils in thermischem Austausch mit einem zugehtrigen Bereich des Druckkopfes stehen, wobei die verschiedenen Heizzonen die unterschiedlichen Geschwindigkeiten des Wärmeverlustes der Gruppe von Bereichen ausgleichen, um eine gleichbleibende Tintentemperatur über die gesamte Breite des Düsenfeldes beizubehalten.

22. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem der Druckkopf aus einer Gruppe von über die gesamte Breite und Höhe der Düsenanordnung verteilten Bereichen unterschiedlich schnell Wärme verliert, und bei dem die verschiedenen Heizzonen die unterschiedlichen Wärmeverlustgeschwindigkeiten der Gruppe von Bereichen ausgleichen und so eine gleichbleibende Tintentemperatur über die gesamte Breite und Höhe der Düsenanordnung beibehalten wird.

23. Druckkopfsystem für einen mit Phasenwechseltinte betreibbaren Tintenstrahldrucker, das einen Druckkopf mit einer Vielzahl von Düsen umfaßt, der während des Gebrauchs aus einer Gruppe von entlang einer Mehrzahl von Achsen verteilten Bereichen unterschiedlich schnell Wärme verliert, einen thermisch mit dem Druckkopf verbundenen Temperatursensor, einen Temperaturregler, der elektrisch mit diesem verbunden ist, und einen elektrisch mit dem Temperaturregler verbundenen Druckkopferhitzer, der eine Vielzahl von Heizzonen aufweist, die jeweils in thermischem Austausch mit einem zugehörigen Bereich des Druckkopfs stehen und eine proportionale Watt-Dichte haben, die die Wärmeverlustgeschwindigkeit aller Bereiche ausgleicht, um das festgelegte Tintentemperaturprofil über den gesamten Druckkopf beizubehalten.