NL193362C

NL193362C - Print head method and control circuit for selectively depositing ink on a substrate.

Info

Publication number: NL193362C
Application number: NL8801086A
Authority: NL
Original assignee: Stork Digital Imaging Bv
Priority date: 1988-04-26
Filing date: 1988-04-26
Publication date: 1999-08-03
Also published as: NL8801086A; NL193362B

Description

1 1933621 193362

Werkwijze en stuurketen voor een drukkop voor het selectief deponeren van inkt op een substraatPrint head method and control circuit for selectively depositing ink on a substrate

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het selectief deponeren van inkt op een substraat, omvattende: 5 - het vormen van een naar het substraat gerichte inktstraal; - het door middel van een mechanische trillen zodanig stimuleren van de inktstraal dat de inktstraal wordt verdeeld in een filament en benedenloops van het filament afbrekende druppeltjes; - het gedurende een respectieve laadpuls, die in overeenstemming met een gewenst inktneerslagbereik op het substraat is, elektrisch laden van elke reeks van opeenvolgende reeksen van een of meer afbrekende 10 druppeltjes; - het elektrisch afbuigen van geladen druppeltjes; waarbij op de vorming van de geladen druppeltjes een verstoring uitgeoefend wordt die zodanig is dat opeenvolgende druppeltjes willekeurig verschillende ladingen hebben.The invention relates to a method for selectively depositing ink on a substrate, comprising: - forming an ink jet directed towards the substrate; - stimulating the ink jet by means of a mechanical vibration such that the ink jet is divided into a filament and droplets breaking off from the filament drop downwards; electrically charging each series of successive series of one or more decomposing droplets during a respective charging pulse, which is in accordance with a desired ink deposition range on the substrate; - electrically deflecting charged droplets; wherein the formation of the charged droplets is subject to a disturbance such that successive droplets have arbitrarily different charges.

Een werkwijze van deze soort is bekend uit de Europese octrooiaanvrage EP-A-0.202.032. Bij de 15 bekende werkwijze is het de mechanische stimulatietrilling waarop de verstoring uitgeoefend wordt. Dit wordt bereikt door een frequentiemodulatie toe te passen van een elektrisch stimulatiesignaal dat aan een piëzo-kristal voor het opwekken van de mechanische stimulatietrilling geleverd wordt. Hierdoor heeft de mechanische stimulatietrilling overeenkomstig een variabele frequentie en breken druppeltjes met ongelijke grootten van het inktfilament af. Met deze wijze van stimulatie wordt beoogd het optreden van staande 20 golven in relatief lange spuitmonden tegen te gaan en om systematische fouten in het afdrukresultaat op het substraat te voorkomen.A method of this kind is known from European patent application EP-A-0.202.032. In the known method it is the mechanical stimulation vibration on which the disturbance is exerted. This is accomplished by applying a frequency modulation of an electrical stimulation signal supplied to a piezo crystal to generate the mechanical stimulation vibration. As a result, the mechanical stimulation vibration has a variable frequency and droplets of unequal sizes break off the ink filament. With this mode of stimulation it is intended to prevent the occurrence of standing waves in relatively long nozzles and to prevent systematic errors in the printing result on the substrate.

De bekende werkwijze heeft als bezwaar dat de druppeltjes verschillende grootten hebben en de afbrekende druppeltjes verschillende ’’dode zones" hebben waarbinnen het laden van de afbrekende druppeltjes onvoldoende plaatsvindt. De relatief grote druppeltjes hebben afhankelijk van de tijdstippen 25 waarop zij optreden ten opzichte van een aan de laadelektrode geleverde laadpuls een relatief grote invloed op het afdrukresultaat. Een onjuist geladen groot druppeltje veroorzaakt een duidelijker waarneembare foute spat of leegte dan een kleiner druppeltje. Het tegengaan van het optreden van waarneembaar systematische fouten kan hierdoor vervangen zijn door het bezwaar van onscherpere afdrukken.The known method has the drawback that the droplets have different sizes and the decomposing droplets have different "dead zones" within which the loading of the decomposing droplets does not take place sufficiently. The relatively large droplets, depending on the times when they occur with respect to a Charging pulse delivered to the charging electrode has a relatively large influence on the printing result.An incorrectly charged large droplet causes a more noticeably incorrect spatter or void than a smaller droplet.Therefore, counteracting the occurrence of observable systematic errors can be replaced by the objection of blurry prints. .

De uitvinding beoogt de hiervoor genoemde bezwaren op te heffen.The object of the invention is to eliminate the aforementioned drawbacks.

30 Daartoe verschaft de uitvinding een werkwijze van de in de aanhef genoemde soort met als kenmerk dat de verstoring bestaat uit het met een willekeurige vertragingstijd vertraging van de overgangen van de laadpulsen, waarbij een variatie van de vertragingstijd gelijk is aan een geheel aantal malen de periode van de mechanische stimulatietrilling.To this end, the invention provides a method of the type mentioned in the preamble, characterized in that the disturbance consists in delaying the transitions of the charging pulses with an arbitrary delay time, wherein a variation of the delay time is equal to an integer number of times the period of the mechanical stimulation vibration.

Doordat de afbrekende druppeltjes in hoofdzaak even groot zijn en in hoofdzaak gelijke ’’dode zones” 35 hebben wordt naast het tegengaan van systematische fouten in het afdrukresultaat onscherpte van het afdrukresultaat voorkomen.Because the decomposing droplets are substantially the same size and have substantially equal "dead zones" 35, blurring of the printing result is prevented in addition to preventing systematic errors in the printing result.

De uitvinding heeft bovendien betrekking op een stuurketen voor een drukkop van de continue-inktstraalsoort geschikt voor toepassing van de onderhavige werkwijze.The invention also relates to a continuous ink jet type print head control circuit suitable for applying the present method.

40 De uitvinding wordt toegelicht aan de hand van tekening. In de tekening toont:The invention is elucidated with reference to the drawing. In the drawing shows:

Figuur 1 schematisch een gedeelte van een drukkop van de continue-inktstraalsoort van een druk-inrichting, waarbij de onderhavige stuurketen is toegepast; en figuur 2 een schema van een uitvoeringsvorm van de generator van de stuurketen van figuur 1.Fig. 1 schematically shows a part of a print head of the continuous ink jet type of a printing device, in which the present control circuit is used; and Figure 2 shows a diagram of an embodiment of the generator of the control circuit of Figure 1.

45 Het schematisch in figuur 1 getoonde gedeelte van een drukkop van de continue-inktstraalsoort omvat een mondstuk 1 die van een leiding 2 inkt onder druk ontvangt en via een spuitopening 3 een naar een substraat 4 gerichte inktstraal levert. Voor het verkrijgen van een bepaalde afbeelding op het in pixels verdeelde oppervlak 5 van het substraat 4 wordt het substraat 4 ten opzichte van het mondstuk 1 verplaatst.The part of a print head of the continuous inkjet type shown schematically in figure 1 comprises a nozzle 1 which receives ink under pressure from a line 2 and supplies an ink jet directed to a substrate 4 via a nozzle 3. In order to obtain a certain image on the pixel-divided surface 5 of the substrate 4, the substrate 4 is moved relative to the nozzle 1.

Een met het mondstuk 1 en/of de leiding 2 verbonden stimulatie-orgaan 6, dat door een piëzo-elektrisch 50 kristal gevormd kan worden, ontvangt een wisselstroom met een stimulatiefrequentie van een oscillator 7, zodat de uit de opening 3 tredende inktstraal zodanig gestimuleerd wordt dat de straal verdeeld wordt in een bovenloops filament 8 en benedenloops van het filament 8 afbrekende druppeltjes 9.A stimulation member 6 connected to the nozzle 1 and / or the conduit 2, which can be formed by a piezoelectric crystal 50, receives an alternating current with a stimulation frequency from an oscillator 7, so that the ink jet emerging from the opening 3 is stimulated in such a way the beam is divided into an overflow filament 8 and droplets 9 breaking down from the filament 8 downstream.

In het gebied waar de druppeltjes 9 van het filament 8 breken is een laadelektrode 10 met een doorgang 11 voor het doorlaten van de inktstraal aangebracht. De inkt is door middel van een aardingselektrode 15 55 geaard. Tussen de laadelektrode 10 en het substraat 4 is een afbuigstelsel 12 aangebracht met aan weerszijden van de inktstraal aangebrachte afbuigelektroden 13, 14, die met een negatieve aansluiting -V respectievelijk met een positieve aansluiting +V van een niet getoonde hoogspanningsbron verbonden zijn.In the region where the droplets 9 of the filament 8 break, a charging electrode 10 with a passage 11 for the passage of the ink jet is arranged. The ink is grounded by means of a grounding electrode 15 55. A deflection system 12 is arranged between the charging electrode 10 and the substrate 4 with deflection electrodes 13, 14 arranged on either side of the ink jet, which are connected to a negative terminal -V and to a positive terminal + V of a high-voltage source not shown.

193362 2193362 2

De laadelektrode 10 is verbonden met de uitgang van een laadversterker 17, waarvan de uitgangs-spanning twee waarden kan hebben, bijvoorbeeld de waarde 0 ten opzichte van aarde en een hoge waarde, bijvoorbeeld 100 V voor het ontladen respectievelijk laden van de zich aan het uiteinde van het filament 8 vormende druppeltjes. Druppeltjes met een voldoende lading zullen door het afbuigstelsel 12 zover 5 afgebogen worden dat zij door de elektrode 14 opgevangen worden, terwijl de andere druppeltjes op het oppervlak 5 van het substraat 4 gedeponeerd worden.The charging electrode 10 is connected to the output of a charging amplifier 17, the output voltage of which can have two values, for example the value 0 with respect to earth and a high value, for example 100 V for discharging or charging the ones located at the end droplets forming 8 filaments. Droplets with a sufficient charge will be deflected by the deflection system 12 to the extent that they are collected by the electrode 14, while the other droplets are deposited on the surface 5 of the substrate 4.

Naarmate de insnoering van het filament 8 voor het vormen van een druppeltje toeneemt zal de elektrische weerstand ervan toenemen, waardoor een gewenste ontlading respectievelijk lading van het druppeltje steeds langzamer verloopt. Wanneer het ontladen/laden van een druppeltje begint in een 10 gedeelte van de periode van de stimulatietrilling dat ’’verboden zone” genoemd wordt, zal het druppeltje onvoldoende ontladen/geladen worden om naar de vangelektrode 14 afgebogen te worden. Wanneer in hoofdzaak alle overgangen van het uitgangssignaal van de versterker 17 in de verboden zone optreden en de op het substraat 4 te vormen afbeelding een bepaald patroon heeft kan dit tot snel door het menselijk oog herkenbare fouten, in het algemeen groepsfouten, in de afbeelding leiden. Teneinde dit te voorkomen 15 worden de overgangen van het aan de laadelektrode 10 geleverde signaal willekeurig vertraagd, bij voorkeur met een uniforme kans van optreden van alle mogelijke vertragingen met een maximale vertraging die gelijk is aan de duur van de periode van de stimulatietrilling.As the constriction of the filament 8 to form a droplet increases, its electrical resistance will increase, as a result of which a desired discharge or charge of the droplet proceeds more and more slowly. When the discharge / charge of a droplet begins in a 10 part of the period of the stimulation vibration that is referred to as a "no-go zone", the droplet will not be sufficiently discharged / charged to be deflected to the capture electrode 14. When substantially all transitions of the output signal of the amplifier 17 occur in the forbidden zone and the image to be formed on the substrate 4 has a certain pattern, this can lead to errors, generally group errors, in the image which are readily recognizable by the human eye. . In order to prevent this, the transitions of the signal supplied to the charging electrode 10 are randomly delayed, preferably with a uniform probability of occurrence of all possible delays with a maximum delay equal to the duration of the stimulation vibration period.

Voor het bereiken van deze doelstellingen omvat een met de laadelektrode 10 verbonden stuurketen naast de laadversterker 17 een oscillator 18, waarvan de frequentie een geheel aantal malen de frequentie 20 van de oscillator 7 is, een 2M-deler 19, waarvan een klokingang een kloksignaal van de oscillator 18 ontvangt, een pulsbreedtemodulator 20, waarvan een klokingang een uitgangssignaal van de teller 19 ontvangt en waarvan een meervoudige parallelle gegevensingang van een niet getoonde keten een gegevenswoord DAT ontvangt, en een vertragingsketen, die bestaat uit een bistabiele keten 21, waarvan een klokingang een uitgangssignaal van een vertragingspulskiesketen 22 ontvangt en waarvan een 25 gegevensingang een gegevensuitgangssignaal van de modulator 20 ontvangt en een uitgang van de bistabiele keten 21 verbonden is met een ingang van de laadversterker 17, waarbij een klokingang van de vertragingspulskiesketen 22 het kloksignaal van de oscillator 18 ontvangt en een meervoudige parallelle gegevensingang van de vertragingspulskiesketen 22 van een vertragingswaardegenerator 23, een vertragingswaarde DEL ontvangt.In order to achieve these objectives, a control circuit connected to the charging electrode 10 next to the charging amplifier 17 comprises an oscillator 18, the frequency of which is the frequency 20 of the oscillator 7 a whole number of times, a 2M divider 19, of which a clock input has a clock signal of the oscillator 18 receives a pulse width modulator 20, a clock input of which receives an output signal from the counter 19 and of which a multiple parallel data input of a circuit (not shown) receives a data word DAT, and a delay circuit consisting of a bistable circuit 21, of which a clock input receives an output signal from a delay pulse select circuit 22 and a data input of which receives a data output signal from the modulator 20 and an output from the bistable circuit 21 is connected to an input of the load amplifier 17, a clock input from the delay pulse select circuit 22 the clock signal from the oscillator 18 and a multiple parallel The data input of the delay pulse select circuit 22 from a delay value generator 23 receives a delay value DEL.

30 Het gegevenswoord DAT stelt de lengte van een aan de laadelektrode 10 te leveren puls voor gedurende welke inktdruppeltjes geladen (of niet) moeten worden. De modulator 20 zet het parallelle gegevenswoord DAT om in een puls waarvan de duur overeenkomt met de waarde van het gegevenswoord DAT. De puls, ook wel drukpuls genoemd, wordt ontvangen door de gegevensingang van de bistabiele keten 21. Het niveau aan de gegevensingang van de bistabiele keten 21 wordt naar de uitgang ervan overgebracht bij de 35 ontvangst van een klokpuls op de klokingang van de bistabiele keten 21.The data word DAT represents the length of a pulse to be supplied to the charging electrode 10 during which ink droplets are to be charged (or not). The modulator 20 converts the parallel data word DAT into a pulse whose duration corresponds to the value of the data word DAT. The pulse, also known as a pressure pulse, is received by the data input of the bistable circuit 21. The level at the data input of the bistable chain 21 is transferred to its output when a clock pulse is received at the clock input of the bistable chain 21. .

De generator 23 wekt een vertragingswaardewoord DEL met een willekeurige waarde uit 2M mogelijke waarden op. De vertragingspulskiesketen 22 kiest in overeenstemming met de waarde van het woord DEL een puls uit elke reeks van 2M van de oscillator 18 ontvangen klokpulsen, zodat het uitgangssignaal van de bistabiele keten 21 overeenkomstig willekeurig vertraagde overgangen ten opzichte van de overgangen van 40 het uitgangssignaal van de modulator 20 heeft.The generator 23 generates a delay value word DEL with an arbitrary value from 2M possible values. The delay pulse select circuit 22, in accordance with the value of the word DEL, selects a pulse from each 2M series of clock pulses received from the oscillator 18, so that the output of the bistable circuit 21 corresponds to arbitrarily delayed transitions from the transitions of 40 to the output of the modulator 20.

Omdat het uitgangssignaal van de bistabiele keten 21 en dus het aan de laadelektrode 10 geleverde pulssignaal willekeurig vertraagde overgangen heeft hebben deze overgangen ook een willekeurige fase ten opzichte van de door de oscillator 7 opgewekte stimulatietrilling. Bij toepassing van de genoemde uniforme kansverdeling is daarbij de kans dat een vertraagde overgang in de verboden zone optreedt gelijk aan de 45 verhouding van de duur van de verboden zone en de periodeduur van de stimulatietrilling, waardoor een verwaarloosbare verslechtering van de beeldkwaliteit waarneembaar is.Because the output of the bistable circuit 21 and thus the pulse signal supplied to the charging electrode 10 has randomly delayed transitions, these transitions also have an arbitrary phase with respect to the stimulation vibration generated by the oscillator 7. When using the said uniform probability distribution, the probability that a delayed transition in the forbidden zone occurs is equal to the ratio of the duration of the forbidden zone and the period of the stimulation vibration, so that a negligible deterioration of the image quality is observable.

De oscillator 7 kan eventueel weggelaten worden en het stimulatleorgaan 6 kan door de uitgang van de teller 19 gestuurd worden.The oscillator 7 can optionally be omitted and the stimulator 6 can be controlled by the output of the counter 19.

Figuur 2 toont een schema van een uitvoeringsvorm van de vertragingswaardegenerator 23 van figuur 1. 50 De in figuur 2 getoonde generator omvat een oscillator 24, die een kloksignaal levert aan een schuif-register 25 met N bits. Een gegevensingang van het schuifregister 25 is verbonden met de uitgang van een modulo-2 opteller 26. Een aantal gegevensuitgangen van het schuifregister 25 is met ingangen van de opteller 26 verbonden voor het opwekken van een maximumlengtereeks. Bij een geschikte keuze van de verbindingen tussen het schuifregister 25 en de opteller 26 is een reeks op te wekken met 2N-I verschillende 55 getallen met een lengte van N bits (exclusief het binaire getal dat slechts uit nullen bestaat). Wanneer het vertragïngswoord DEL met M bits (M < N) afgenomen wordt van M uitgangen van het schuifregister 25 komt elk van de mogelijke 2M getallen 2N'M maal voor. Voor een praktische toepassing kunnen N en M kleinFigure 2 shows a diagram of an embodiment of the delay value generator 23 of Figure 1. 50 The generator shown in Figure 2 comprises an oscillator 24, which supplies a clock signal to a shift register 25 with N bits. A data input from the shift register 25 is connected to the output of a modulo-2 adder 26. A plurality of data outputs from the shift register 25 are connected to inputs from the adder 26 to generate a maximum length sequence. With a suitable choice of the connections between the shift register 25 and the adder 26, a series can be generated with 2N-I different 55 numbers with a length of N bits (excluding the binary number consisting only of zeros). When the delay word DEL with M bits (M <N) is taken from M outputs of the shift register 25, each of the possible 2M numbers occurs 2N'M times. N and M can be small for a practical application

Claims

A method for selectively depositing ink on a substrate, comprising: - forming an ink jet directed towards the substrate; - stimulating the ink jet by means of a mechanical vibration such that the ink jet 35 is divided into a filament and droplets breaking off from the filament drop downwards; electrically charging each series of successive series of one or more decomposing droplets during a respective charging pulse, which is in accordance with a desired ink deposition range on the substrate; - electrically deflecting charged droplets; 40 wherein the formation of the charged droplets is subject to a disturbance such that successive droplets have arbitrarily different charges, characterized in that the disturbance consists in delaying the transitions of the charge pulses with an arbitrary delay time, a variation of the delay time equals a whole number of times the period of the mechanical stimulation vibration.

Method according to claim 1, characterized in that the delay is at least zero.

Method according to claim 1 or 2, characterized in that the spread is equal to one period of the stimulation vibration.

3 193362, for example equal to 16 and 4 respectively, so that a relatively simple, inexpensive generator 23 is obtained. The oscillation period of the oscillator 24 is at most equal to the smallest interval between two delayed transitions of the pressure pulse. The clock signals for the stimulator 6 and for the circuits 19, 5 and 22 can be derived from the clock signal of the oscillator 24, so that the oscillators 7 and 18 can be omitted. The delay value generator 23, optionally together with one or more of the other components 17 through 22 of the control circuit, may be a microprocessor system suitable for generating a delay value word DEL with successive random values. To this end, the system may comprise an algorithm to generate the delays in accordance with one or more of claims 2 to 15. When a printhead is to supply a plurality of ink jets in the manner explained above, it is preferable that the transition delays of one ink jet be generated independently of the generation of the transition delays of another ink jet. In addition, when using a delay value generator 23 of the type shown in Figure 2, it is then preferable that the delay value for the different ink jets be generated at different speeds, so that in the image formed on the substrate 4 no pattern due to a phase relationship between the delays for the different ink jets will be discernible. It is noted that the delay circuit for the transitions of the output signal of the modulator 20 can also be wholly or partly formed by analog circuits.

Method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that each transition of a pressure pulse is delayed.

Method according to claim 4, characterized in that the transitions of a pressure pulse are delayed substantially independently of each other.

Method according to claim 4, characterized in that the delay for a first transition of a pressure pulse with a delay which is essentially independent of other transitions is delayed and the next transition is delayed with the same delay.

Method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the delay is selected in accordance with a uniform probability of occurrence for all delays that can be selected.

Method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that for a transition to be delayed a substantially random number is generated in 193362 4 and that the delay is selected in accordance with the number.

Method according to claim 8, characterized in that a maximum length series is generated and that the number is selected from the series.

Method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that a delay time is chosen equal to the sum of the preceding delay time and a time increase modulo the period time of the stimulation vibration.

Method according to claim 10, characterized in that the delay time is selected after breaking off a certain number of droplets.

Method according to claim 11, characterized in that the determined number is a prime number.

The method of claim 11, wherein the surface of the substrate is divided into a number of pixels, each of which can selectively receive a number of droplets, characterized in that the determined number is selected such that the determined number and a determined number of droplets per pixel are not divisible by each other.

Method according to claim 13, wherein the pixels are scanned, characterized in that the determined number of droplets is equal to the number of droplets of the last pixel scanned.

Method according to claim 13, characterized in that the determined number of droplets is equal to the maximum number of droplets per pixel.

Method according to any one of the preceding claims, comprising the use of a number of ink jets in which the droplets of each ink jet can be charged and deflected independently of the droplets of another ink jet by means of a respective pressure pulse signal, characterized in that the delaying transitions of a pressure pulse signal are delayed independently of transitions of another pressure pulse signal.

Method according to claim 16, characterized in that the speed at which delays for one pressure pulse signal are generated differs from the speed at which delays of another pressure pulse signal are generated.

18. Continuous ink jet type printhead control circuit suitable for applying the method according to one or more of the preceding claims, comprising a delay circuit for delaying transitions of the control pulse signal, which is supplied via the delay circuit to a pre-charging and deflection of the droplets of electrodes from the printhead is provided, characterized in that the delay circuit comprises a generator suitable for generating a control signal comprising a quantity corresponding to a delay for a transition, the value of the quantity changes substantially randomly at a rate not less than the greatest repetition rate of transitions to be delayed.

Control circuit according to claim 18, characterized in that the control signal is a digital signal and the quantity is represented by its value.

Control circuit according to claim 19, characterized in that the generator is a digital maximum length series generator.

It is also noted that both pressure pulses of a duration corresponding to the period of the output signal of the divider 19 can be used for loading individual droplets and for longer pressure pulses for loading series of droplets. Furthermore, the electrode 10 can be grounded and the electrode 15 can be connected to the output of the charging amplifier 17 in this case.

In addition, it is noted that the electrode 10 may be connected to a constant voltage source and the deflection electrode 14 may be connected to the output of the charge amplifier. The electrodes 10 and 14 can also both be connected to the output of the charging amplifier.

30 Conclusions

Control circuit according to claim 18, 19 or 20, characterized in that the generator is formed by a microprocessor system. Hereby 1 sheet drawing