DE69700990T2 - Verfahren und vorrichtung zum ausstossen von partikelförmigem material - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen und zum Ausstoßen in die Luft von diskreten Agglomeraten aus einem Partikelmaterial mit einer Proportion bzw. einem Anteil an Flüssigkeit aus einer Flüssigkeit, die darin befindliches, partikelförmiges Material aufweist. Ein derartiges Verfahren ist in der WO-A-93/11866 (PCT/AU92/00665) offenbart und umfaßt ein Zuführen des Partikelmaterials an eine Ausstoßstelle, ein Anlegen eines elektrischen Potentials an die Ausstoßstelle, um ein elektrisches Feld auszubilden und eine Ausbildung von Agglomeraten an der Ausstoßstelle zu bewirken. Mittels elektrostatischer Mittel werden die Agglomerate von der Ausstoßstelle weg ausgestoßen.
• Um den Ausstoß und die Agglomeration und Partikel zu steuern, muß das elektrische Potential variiert werden von unterhalb einer Schwelle bis hin zu oberhalb einer Schwelle. Es wurde jedoch herausgefunden, daß es bei bestimmten Konstruktionen schwierig ist, eine vollständige Steuerung und einen wirklichen Tröpfchen-nach-Bedarf- Betrieb zu erzielen. Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, diesem Problem beizukommen.
• Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung vorgesehen zum Erzeugen und Ausstoßen in Luft von diskreten Agglomeraten aus einem Partikelmaterial mit einem Anteil an Flüssigkeit aus einer Flüssigkeit, in der sich das partikelförmige Material befindet, mit einer Ausstoßstelle, Mitteln zum Anlegen eines elektrischen Potentials an die Ausstoßstelle zwecks Ausbildung eines elektrischen Feldes an der Stelle und Mitteln zur Zufuhr von Flüssigkeit mit dem Partikelmaterial zu der Ausstoßstelle, gekennzeichnet durch
• Mittel zum Anlegen einer oszillierenden Spannung an die Ausstoßstelle, wobei die Stärke der Spannung unterhalb dessen liegt, was erforderlich ist, um einen Ausstoß von Partikeln von der Ausstoßstelle zu bewirken und
• Mittel zum Überlagern einer Ausstoßspannung über die oszillierende Spannung, additiv zu der oszillierenden Spannung, um zu bewirken, daß die Summe der Spannungen an der Ausstoßstelle falls erforderlich die Schwelle überschreitet, die für einen Ausstoß nötig ist.
• Mit diesem Mittel ermöglicht es die der oszillierenden Spannung überlagerte Ausstoßspannung, wenn sie weniger als eine Periode der oszillierenden Spannung angelegt ist, daß ein einzelner Tropfen von dem Kopf ausgestoßen wird, wodurch ein Tröpfchen-nach-Bedarf-Betrieb ermöglicht wird.
• Zudem umfaßt die Erfindung das Verfahren der Verwendung der Vorrichtung, bei dem eine oszillierende Spannung an die Ausstoßstelle angelegt wird, wobei die Stärke der oszillierenden Spannung geringer ist als diejenige, die erforderlich ist, um einen Ausstoß an Partikeln von der Ausstoßstelle zu bewirken und eine Ausstoßspannung auf die oszillierende Spannung additiv die oszillierende Spannung überlagert, um zu bewirken, daß einige der Spannungen an der Ausstoßstelle, falls erforderlich, die für den Ausstoß nötige Schwelle überschreiten.
• Ein Beispiel eines Verfahrens und einer Vorrichtung nach der Erfindung wird nun beschrieben unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen zeigen:
• Fig. 1 schaubildlich ein Element eines Druckkopfes im Schnitt, zusammen mit Strömungsvektoren;
• Fig. 2, 2A, 3 und 3A das gleiche Element in größerem Detail und im Schnitt;
• Fig. 4A und 4B Wellenformen für die an die Elektrode in dem Element angelegten Spannungen; und
• Fig. 5 ein Blockdiagramm einer auslösenden Treibsteuerung;
• Fig. 6 eine teilweise perspektivische Ansicht eines Abschnittes eines zweiten Druckkopfes, der eine erfindungsgemäße Ausstoßvorrichtung beinhaltet;
• Fig. 7 eine Ansicht ähnlich derjenigen der Fig. 6 in Darstellung weiterer und alternativer Merkmale der Ausstoßvorrichtung und
• Fig. 8 und 9 Teilschnittansichten durch ein Element der Fig. 6 und eine Modifikation dessen.
• Fig. 1 bis 3A zeigen ein Element eines Druckkopfes, der mehrere derartiger Zellen zum Gebrauch in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung aufweist, wobei der Druckkopf ein elektrophoretisches Verfahren anwendet (wie allgemein in der PCT/GB95/01215 beschrieben) in Verbindung mit Fig. 1, des Konzentrierens von unlöslichen Tintepartikeln. Der gezeigte und beschriebene Druckkopf kann Einzelpixel auf eine Oberfläche drucken.
• Der Druckkopf verwendet Konzentrationselemente 120 von im allgemeinen dreieckiger innerer Form, die einen Hohlraum 121 liefern, dem eine Tinte 122 unter Druck (beispielsweise von einer Pumpe - nicht gezeigt) über einen Einlaß 123 zugeführt wird und eine Ausstoßstelle für die Partikel in dem Fluid definieren. Um einen fortwährenden Betrieb zu ermöglichen, ist ein Auslaß 124 derart vorgesehen, daß im Betrieb eine wie in der Fig. 1 durch die Pfeile 125 angegebene Strömungsvektorverteilung hergestellt ist. Das gezeigte Element hat Außenabmessungen von 10 mm Breite, 13,3 mm Gesamtlänge und 6 mm Dicke.
• Die Zelle 120 umfaßt ein Gehäuse 126 aus PEEK (Polyetheretherketon), das im in den Fig. 2 und 3 erkennbaren Schnitt gegenüberliegende, im allgemeinen keilförmige Wangen 127 aufweist, welche die dreieckige Form des Hohlraums 121 und eine Öffnung 128 definieren. Die Öffnung 128 hat eine Breite von etwa 100 um. Fig. 2A und 3A stellen jeweils Details der Öffnung 128 dar, sowie des Tintenmeniskus 133, der sich dort im Gebrauch ausbildet. Bei jeder breiten Fläche ist das Element von Kunststoffseitenwänden 129, 130 verschlossen, die Teil des Gehäuses 126 bilden. Das Gehäuse 126 kann Teil einer größeren Anordnung bilden, die Tragebefestigungen und ähnliches liefert. Derartige sind nicht gezeigt, da sie das Betriebsprinzip nicht beeinflussen und in dem vorliegenden Zusammenhang nicht notwendig sind.
• Um das Äußere des Elements 120 ist eine plattenartige Elektrode 131 angeordnet. Die Elektrode 131 umgibt die durch die Wangen 127 vorgegebenen schmaleren Seitenwände und den Basisabschnitt des Kunststoffgehäuses 126 und hat einen Streifen oder eine Zunge 135, der/die in den Hohlraum 121 ragt, um Kontakt mit der Tinte 122 herzustellen. Die Elektrode 131 (bekannt als die elektrophoretische Elektrode) und die Wangen 127 sind derart geformt, daß bei Verwendung bzw. Gebrauch eine Komponente des elektrischen Feldvektors E in der Flüssigkeit die unlöslichen Tintepartikel von den Wänden des Elementes weg richtet. Mit anderen Worten ist um den größten Teil des Umfangs des Tinteelements 120 E.n > 0, wobei E der elektrische Feldvektor ist und n die Oberflächennormale, gemessen von der Wand in die Flüssigkeit. Dies stellt sicher, daß die unlöslichen Tintepartikel nicht an dem Umfang des Elements adsorbiert werden, was anderenfalls das elektrische Feld des Elementes modifizieren würde.
• Innerhalb der Öffnung 128 ist eine Ausstoßelektrode 134 angeordnet (in einem alternative Ausführungsbeispiel können zum Drucken mehrerer Pixel mehrere Elektroden 134' in einer Matrix angeordnet sein). Die Elektrode 134 ist elektrogeformter bzw. elektroerosiv bearbeiteter Nickel einer Dicke von 15 um mit einem Querschnitt, der typisch für elektrogeformte Teile ist. Eine Fläche der Elektrode ist flach und die andere Fläche geringfügig gekrümmt. Tintepartikel werden im Betrieb auf ein Substrat 136 aufgespritzt.
• Fig. 4A stellt bezogen auf Erde die an die Elektrode 134 (Wellenform A) angelegte oszillierende Spannung dar, sowie die Ausstoßspannung (Wellenform B), die auf der oszillierenden Spannung überlagert ist. Es ist erkennbar, daß die Spannungen derart getimet sind, daß die abfallende Flanke eines Ausstoßspannungsimpulses mit der abfallenden Flanke des auslösenden bzw. beginnenden Treibpulses oder der oszillierenden Spannung abgestimmt ist und daß die Länge eines Ausstoßimpulses kürzer ist als diejenige des Impulses der oszillierenden Spannung. Die resultierende Spannung an der Ausstoßelektrode 134 ist in Fig. 4B gezeigt, mit geeigneten Werten, die an den Spannungsimpulsen angegeben, gezeigt sind. Durch Änderung der Länge des Ausstoßspannungsimpulses ist es möglich, einen Graustufeneffekt beim Drucken zu erzielen.
• Ein in Fig. 5 dargestellter Auslösetreibsteuerer (incipient drive controller) 50 liefert ein Mittel zum Erzeugen und Anlegen der Spannungswellenformen A und B. Um eine zuverlässige Synchronisation der beiden Wellenformen zu erzielen, wird die Zeitperiode T des Einzeldruckzyklus in gleiche Zeitsegmente unterteilt. Die Anzahl dieser Segmente ist durch die Auflösung oder Anzahl an erforderlichen Graustufen bestimmt.
• Der Druckzyklus wird von einem Computer 52 gestartet, der ein Rückstellsignal ausgibt, das die Segmentzahl auf Null setzt und den Segmentzähler 51 startet, der durch ein Taktsignal von dem Computer 52 erhöht wird. Dieses Taktsignal kann entweder eine konstante Frequenz oder eine auf die erforderliche Druckgeschwindigkeit bezogene variable Frequenz sein, die beispielsweise bestimmt sein kann durch die Geschwindigkeit des Substrats 136 in Relation zu dem Element 120.
• Die oszillierende Spannung (Wellenform A) kann durch einen Auslösetreibimpuls-an-Komparator 54 erzeugt werden und einen Auslösetreibimpuls-aus-Komparator 55. Jeder Komparator 54, 55 vergleicht die Anzahl an Zeitsegmenten, die vergangen sind mit einer gewünschten Anzahl an Segmenten, nach denen das Flip-Flop 56 aktiviert werden sollte. Das Ausgangssignal des Flip-Flops 56 erzeugt das Ausgangssignal der oszillierenden Spannung.
• Die Startzeit eines Ausstoßspannungsimpulses tritt auf, nachdem eine variable Anzahl x an Zeitsegmenten vergangen ist. Die Variable x, die in einem Bilddatenspeicher 57 gespeichert ist, hängt von der Länge des erforderlichen Ausstoßspannungsimpulses ab, sowie der Anzahl an Zeitsegmenten in der Zeit T des Druckzyklus. Entsprechend x und der Anzahl an Zeitsegmenten, die von dem Segmentzähler 51 gezählt wurden, gibt der Komparator 58 ein Signal an ein Flip-Flop 59 aus, das wiederum einen Ausstoßspannungsimpuls auslöst.
• Ist die Zeit T abgelaufen, so erreicht der Segmentzähler eine maximale Segmentzählung für den Druckzyklus und gibt ein Überflußsignal an beide Flip-Flops 56 und 59 ab, wobei sichergestellt ist, daß sowohl der Ausstoßspannungsimpuls wie auch der Anfangs- bzw. Auslösetreibimpuls zur selben Zeit enden.
• Es sei festgehalten, daß der Substratgeschwindigkeitsmonitor 60 auch dazu verwendet werden kann, die oszillierende Spannung zu steuern.
• Selbstverständlich ist es bevorzugt, daß bei einer Matrix an Druckkopfelementen individuelle Elemente individuell mit den Ausstoß- (nach Erfordernis) und Auslösespannungen angesteuert bzw. beaufschlagt werden, um einen Pixel-um- Pixel Druck in einer Tröpfchen-nach-Bedarf-Weise zu ermöglichen.
• Ein weiteres Beispiel ist in den Fig. 6 bis 9 dargestellt. Fig. 6 zeigt Teil eines Druckkopfes 1 vom Matrixtyp, wobei der Druckkopf einen Körper 2 aus einem dielektrischen Material wie beispielsweise aus einem Kunstharz material oder einer Keramik umfaßt. Eine Reihe von Nuten bzw. Schlitzen 3 sind in den Körper 2 eingearbeitet und hinterlassen zwischenliegende, plattenartige Stege 4. Die Nuten 3 sind jeweils mit einem Tinteeinlaß und einem Tinteauslaß (nicht gezeigt, jedoch angegeben durch die Pfeile I und O) versehen, die an gegenüberliegenden Enden der Nuten 3 angeordnet sind, so daß fluidartige Tinte, die auszustoßendes (wie in unseren früheren Anmeldungen beschrieben) Material trägt, in die Nuten geführt und abgereichertes Fluid herausgeführt werden kann.
• Jedes Paar aneinandergrenzender Nuten 3 definiert ein Element 5, wobei der plattenartige Steg oder Separator 4 zwischen den Paaren von Nuten 3 eine Ausstoßstelle für das Material definiert und einen Ausstoßort (ejection upstand) 6, 6' hat. In der Zeichnung sind zwei Elemente 5 gezeigt, wobei das Element 5 linker Hand einen Ausstoßort 6 von im allgemeinen dreieckiger Form hat und das Element 5 rechter Hand einen Ausstoßort abgestumpfter Form. Jedes Element 5 ist durch einen Elementeseparator 7 getrennt, der durch einen der plattenartigen Stege 4 gebildet ist und die Ecke jedes Separators 7 ist so geformt oder wie gezeigt abgekantet, daß sie eine Oberfläche 8 vorsieht, die es dem Ausstoßort gestattet, nach außen aus dem Element, über das Äußere des Elementes - das durch die abgekanteten Oberflächen 8 begrenzt wird - herauszuragen. Ein abgestumpfter Ausstoßort 6' ist in dem Endelement 5 verwendet, um Effekte an den Enden zu reduzieren, die von den elektrischen Feldern herrühren, die wiederum von Spannungen stammen, die an den Ausstoßelektroden 9 angelegt wurden, die als metallisierte Oberflächen an den Flächen der plattenartigen Stege 4, die zu den Ausstoßorten 6, 6' (d. h., den inneren Flächen jedes Elementeseparators) weisen, vorgesehen sind. Wie aus der Fig. 8 erkennbar ist, erstrecken sich die Ausstoßelektroden 9 über die Seitenflächen der Stege 4 und die Bodenoberflächen 10 der Nuten 3. Das präzise Ausmaß der Ausstoßelektroden 9 wird von dem speziellen Design und dem Zweck des Druckers abhängen.
• Fig. 7 stellt zwei alternative Formen für die Seitenabdeckungen des Druckers dar, wobei die erste eine einfache geradkantige Abdeckung 11 ist, welche die Seiten der Nuten 3 entlang der geraden Linie schließt, wie dies in dem oberen Teil der Figur angezeigt ist. Ein zweiter Typ Abdeckung 12 ist im unteren Teil der Figur zu sehen, wobei die Abdeckung immer noch die Nuten 3 verschließt, jedoch eine Reihe von Randschlitzen 13 aufweist, die mit den Nuten fluchten. Diese Art von Abdeckungskonstruktion kann verwendet werden, um die Definition bzw. Festlegung der Position des Fluidmeniskus zu verstärken, der sich beim Gebrauch ausbildet und die Abdeckungen - von welcher Form auch immer - können dazu verwendet werden, Oberflächen zu liefern, auf denen die Ausstoßelektrode und/oder Sekundär- oder zusätzliche Elektroden ausgebildet werden können, um den Ausstoßvorgang zu verstärken.
• Fig. 7 zeigt auch eine alternative Form der Ausstoßelektroden 9, mit einer zusätzlichen metallisierten Oberfläche auf der Fläche des Steges 4, der den Ausstoßort 6, 6' trägt. Dies kann bei dem Ladungsausstoß helfen und die vorwärtsgerichtete Komponente des elektrischen Feldes verbessern.
• Fig. 8 stellt eine teilweise Schnittansicht durch eine Seite des einem der Elemente 5 der Fig. 6 dar und Fig. 9 eine äquivalente Schnittansicht, jedoch bei Angabe der Anwesenheit einer Sekundärelektrode 19 auf der abgekanteten Fläche 8. Es können die gleichen oder ähnliche Spannungswellenformen an die Ausstoßelektrode dieses zweiten Druckkopfes angelegt werden wie im Falle des in Fig. 1-3A gezeigten ersten Druckkopfes.
• In jedem der beispielhaften Druckköpfe kann die oszillierende Spannung an unterschiedlichen Elektroden bei der Ausstoßstelle angelegt werden. Während obige spezielle Beschreibung eine Anwendung bezüglich der Ausstoßelektrode 134 beschrieb, kann die Spannung beispielsweise ange legt werden an eine Vorspann- oder Sekundärelektrode des Typs, wie er in unserer britischen Patentanmeldung Nr. 9601226.5 offenbart ist.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Erzeugung und zum Ausstoßen in die Luft von diskreten Agglomeraten aus einem Partikelmaterial mit einem Anteil an Flüssigkeit aus einer Flüssigkeit, die darin befindliches, partikelförmiges Material aufweist, mit:

- einem Ausstoßort (128);

- einem Mittel (134) zum Anlegen eines elektrischen Potentials an den Ausstoßort zwecks Ausbildung eines elektrischen Feldes an dem Ort; und

- Mitteln zum Zuführen von Flüssigkeit (122) mit dem Partikelmaterial zu dem Ausstoßort (128);

gekennzeichnet durch

- Mittel (54-56) zum Anlegen einer oszillierenden Spannung (A) an den Ausstoßort, wobei die Stärke der Spannung unterhalb derjenigen liegt, die erforderlich ist, um einen Ausstoß von Partikeln aus dem Ausstoßort zu bewirken; und

- Mittel (58, 59) zum Überlagern einer Ausstoßspannung (B) über die oszillierende Spannung (A) additiv zu der oszillierenden Spannung (A), um zu bewirken, daß die Summe der Spannungen an dem Ausstoßort den für den Ausstoß erforderlichen Schwellwert überschreitet, falls erforderlich.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, desweiteren mit einem Mittel (51) zum Bewirken, daß das Ende eines Ausstoßspannungsimpulses mit einem Abfall der oszillierenden Spannung übereinstimmt bzw. zusammenfällt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, desweiteren mit einem Mittel (57) zum Ändern der Länge des Ausstoßspannungsimpulses.

4. Verfahren zum Erzeugen und Ausstoßen von einer Ausstoßstelle in die Luft von diskreten Agglomeraten eines Partikelmaterials mit einem Anteil an Flüssigkeit aus einer Flüssigkeit, die darin befindliches, partikelförmiges Material aufweist, das die Schritte umfaßt:

- Anlegen eines elektrischen Potentials an die Ausstoßstelle zwecks Ausbildung eines elektrischen Feldes an der Stelle und

- Zuführen von Flüssigkeit mit dem Partikelmaterial zu der Ausstoßstelle;

gekennzeichnet durch

- Anlegen einer oszillierenden Spannung an die Ausstoßstelle, wobei die Stärke der Spannung unterhalb derjenigen liegt, die erforderlich ist, um einen Ausstoß von Partikeln aus der Ausstoßstelle zu bewirken und

- Überlagern einer Ausstoßspannung über die oszillierende Spannung additiv zu der oszillierenden Spannung, um zu bewirken, daß die Summe an Spannungen an dem Ausstoßort den für den Ausstoß erforderlichen Schwellwert überschreitet, falls erforderlich.

5. Verfahren nach Anspruch 4, desweiteren mit dem Schritt des Bewirkens, daß das Ende eines Ausstoßspannungsimpulses übereinstimmt bzw. zusammenfällt mit einem Abfall bei der oszillierenden Spannung.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, desweiteren mit dem Schritt des Änderns der Länge des Ausstoßspannungsimpulses.