DE4016501C2 - Druckkopf für Tintenstrahldrucker - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckkopf für einen Tinten­ strahldrucker

• - mit einem Oberteil, das eine Anzahl von in jeweils be­ stimmten Abständen parallel verlaufenden Kanälen bestimm­ ter Breite aufweist, die durch Kanalstege begrenzt und an einer einem Substrat zugewandten Längsseite offen sind und die an einer Seite des Oberteils in einer Düsenreihe angeordnete Düsenöffnungen aufweisen,
• - wobei das Substrat die offene Längsseite der Kanäle verschließt und eine Widerstandsstruktur trägt, die in den bestimmten Abständen der Kanäle entsprechenden Abständen jeweils ein innerhalb der bestimmten Breite jedes Kanals sich erstreckendes Heizelement ausbildet.

Der Tintenausstoß erfolgt bei derartigen Druckköpfen durch Aufheizen der Heizelemente, durch die bei entsprechender Ansteuerung Dampfblasen in der Tinte erzeugt werden, durch die die Tintentröpfchen ausgestoßen werden. Die Tropfen­ masse hängt dabei primär von der Düsen- und Kanalgeometrie sowie von der Oberfläche der Heizelemente ab.

Diesbezüglich ist zur Erhöhung der Tropfenmasse und zur Verhinderung von Druckkopfausfällen durch Verstopfung einer einzelnen Düse aus der US-PS 4,803,499 ein Tinten­ druckkopf mit auf einem Substrat angeordneten Heizelemen­ ten und einem dazu verschiebbaren Oberteil mit parallel verlaufenden Tintenkanälen bekannt. Die Heizelemente sind nebeneinander angeordnet und derart konfigu­ riert, daß jeweils ein Heizelement mehreren Tintenkanälen zugeordnet ist, wobei sich die wirksame Heizfläche jeweils über die gesamte Kanalbreite erstreckt. Die Tropfen­ masse bleibt daher auch bei Verschieben des Oberteils invariant.

Die EP-A1-0 303 350 beschreibt einen Druckkopf mit einer auf einem Substrat ausgebildeten Widerstandsstruktur, auf die eine Zwischenschicht fest aufgebracht ist. In der Zwi­ schenschicht sind ortsfest Tintenkanäle ausgebildet, die von einer Düsenplatte derart verschlossen sind, daß der Tintenausstoß in zur Heizfläche normaler Richtung erfolgt. Um eine hohe Konstanz der ausgestoßenen Tropfenmassen zu realisieren, sind die Zentren von Düse und Heizfläche seitlich versetzt, wobei die gesamte Heizfläche wirksam bleibt.

Aus "Patent Abstracts of Japan", M-762, 1988, Vol. 12/428 und JP-A-63-160853 ist ein Druckkopf der eingangs genann­ ten Art mit einem Oberteil und einem Substrat bekannt. Das Oberteil enthält mehrere beabstandete parallele Kanäle, die durch Kanalstege begrenzt und an einer dem Substrat zugewandten Längsseite offen sind. Die Kanäle weisen an einer Seite des Oberteils in einer Reihe angeordnete Düsen auf. Das Substrat verschließt die offene Längsseite der Kanäle und trägt eine Widerstandsstruktur mit auf die Kanalabstände abgestimmten Heizelementen. Um die ausstoß­ bare Tropfenmasse zu variieren, besteht jedes Heiz­ element aus mehreren Heizelementabschnitten in elektri­ scher Serienschaltung. Die Heizelementabschnitte erfordern zur Dampfblasenbildung unterschiedlich hohe Energien (Prinzip der sukzessiven Erregung). Die ausstoßbare Tropfenmasse wird durch die geometrische und materialspe­ zifische Gestaltung der Widerstandsstruktur und die An­ steuerenergie bestimmt.

Sollen Tintendruckköpfe mit derselben Teilung, jedoch für unterschiedliche Tropfenmassen hergestellt werden, beispielsweise für Farbtinte oder schwarze Tinte, sind bisher Änderungen beim Widerstandslayout und/oder Kanallayout sowie entsprechende Maskenänderungen erforderlich. Dies bedingt einen konzeptionellen und fertigungstechnischen Mehraufwand, der sich in längeren Erstellungszeiten und höheren Kosten äußert.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung von Druckköpfen, bei denen unter Verwendung im wesentlichen unveränderter Einzelteile die auszustoßende Tropfen­ masse druckkopfindividuell einstellbar ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Oberteil mit den Kanalstegen gegenüber der Wider­ standsstruktur derart seitlich versetzbar ist, daß die Heizelemente von den Kanalstegen partiell verdeckt sind, wobei dann der innerhalb eines Kanales liegende Flächen­ bereich des zugehörigen Heizelementes weniger als die gesamte Breite des Kanales überdeckt, so daß die für den jeweiligen Kanal wirksame Heizfläche des Heizelementes gegenüber seiner gesamten Heizfläche verkleinert ist.

Durch eine derartige Maßnahme ist es möglich, die wirksame Fläche der Heizelemente zu verändern, wodurch verschieden große Tropfenmassen bei gleichem Layout erzielbar sind. Eine Verkleinerung der wirksamen Heizelementefläche hat eine verringerte Blasenbildung zur Folge, was zu einem verringerten Tintenausstoß führt.

Bezüglich der Anordnung der Kanalstruktur gegenüber der Widerstandsstruktur sind grundsätzlich zwei Varianten möglich. Die erste Variante zeichnet sich dadurch aus, daß die dem Substrat zugewandten Stirnseiten der Kanalstege im Bereich der verdeckten Flächenbereiche der Heizelemente spaltlos auf diesen liegen.

Der Vorteil dieser spaltlosen Ausführung gegenüber der zweiten Variante sind höhere realisierbare Teilungen. Wegen der fluidmechanischen Trennung tritt sogenanntes Nebensprechen auf benachbarte Düsen nicht auf. Das Material für die Kanalstege muß bei dieser Variante eine hohe Temperaturbeständigkeit aufweisen, da es die Heizelemente zumindest partiell abdeckt. Aus diesem Grund ist es von Vorteil, wenn das Material der Kanalstruktur ein Halb­ leiter, Glas oder Metall ist.

Als zweckmäßig hat es sich erwiesen, daß der seitliche Versatz zwischen den Kanalstegen und der Widerstandsstruktur einstellbar ist. Damit ist eine reproduzierbare Tropfenmassenein­ stellung möglich.

Die zweite Variante zeichnet sich dadurch aus, daß zwi­ schen den dem Substrat zugewandten Stirnseiten der Ka­ nalstege und der Widerstandsstruktur ein Spalt derart geringer Höhe besteht, daß bei einem Versatz, der der halben Kanalbreite plus der halben Kanalstegbreite entspricht, kein Nebensprechen auftritt.

Der Vorteil dieser Variante ist die kontinuierliche oder stufenweise Einstellung der Tropfenmasse während des Betriebs.

Die Temperaturbelastung des Kanalstrukturmaterials ist bei dieser Variante durch den vorhandenen Spalt wesentlich geringer.

Das Material kann beispielsweise aus Kunststoff, Halbleiter, Glas oder Metall bestehen.

Eine gewisse Einschränkung bei dieser Variante gegenüber dem spaltlosen Aufbau ist die erforderliche größere kleinste Tei­ lung, um ein Nebensprechen zu vermeiden. Dieser Nachteil kann jedoch dadurch behoben werden, daß nach Verändern der Position der Kanalstege gegenüber der Widerstandsstruktur der Abstand auf Null reduzierbar ist.

Die Reduzierung kann durch mechanische Mittel wie durch Feder­ krafteinwirkung vorgenommen werden.

Im folgenden seien die beiden Varianten anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1a bis 1c eine spaltlose Zuordnung von Kanalstegen und Widerstandsstruktur in Schnittdarstellung und

Fig. 2a bis 2c eine Zuordnung mit Spalt zwischen Kanalstegen und Widerstandsstruktur in Schnittdarstellung.

Die in Fig. 1a bis 1c dargestellte Anordnung zeigt ein Sub­ strat 1, das beispielsweise ein Dünnfilmsubstrat sein kann. Auf diesem Substrat sind vier Heizelemente 2, 3, 4, 5 erkennbar, die darauf z. B. im Siebdruckverfahren aufgebracht sind. Abge­ deckt wird dieser Bereich durch ein Oberteil 6, das nutenförmi­ ge Ausnehmungen 7, 8, 9, 10, die sogenannte Kanalstruktur, auf­ weist. Die Schnittdarstellung zeigt die Kanalstruktur. Zwischen den Nuten sind die Kanalstege 11, 12, 13, 14, 15 erkennbar.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise wurden in die Darstellung X- und Z-Achse eingezeichnet.

Die Darstellung nach Fig. 1 zeigt drei verschiedene Positionen des Oberteils 6 in Bezug auf das Substrat 1. So sind in Fig. 1a die nutenförmigen Ausnehmungen unmittelbar über den Heizele­ menten angeordnet, in Fig. 1b werden die Heizelemente 2, 3, 4, 5 partiell von den Kanalstegen 11, 12, 13, 14 abgedeckt und in Fig. 1c sind die Heizelemente völlig abgedeckt. Mit X_o ist die Kanalbreite bezeichnet, mit X_k die Kanalstegbreite. Die Düsen­ teilung T ist definiert durch die Summe von Düsenbreite X_o und Kanalstegbreite X_k (T = X_o + X_k).

In der Darstellung nach Fig. 1a verläuft das Heizelement je­ weils unmittelbar in einem Kanal der Kanalstruktur, d. h. es ist voll wirksam, da es nicht abgedeckt ist. Die Tropfenmasse m_t entspricht daher der maximalen Tropfenmasse m_to (m_t = m_to).

Nach Fig. 1b ist jedes Heizelement 2, 3, 4, 5 partiell durch einen Kanalsteg 11, 12, 13, 14 abgedeckt. Die ausstoßbare Trop­ fenmasse m_t ist kleiner als die maximale Tropfenmasse, da nur ein Teil der Heizelementefläche auf die Tinte einwirken kann (m_t < m_to). Der Versatz zwischen Kanalmitte und Heizelementmit­ te ist mit X_v1 bezeichnet.

In Fig. 1c ist die Heizelementefläche völlig von den Kanal­ stegen abgedeckt. Sie ist daher nicht mehr wirksam und die aus­ stoßbare Tropfenmasse ist Null (m_t = 0). Der Versatz ist mit X_v2 bezeichnet.

Zur Tropfenmasseeinstellung ist ein Versatz X_v zwischen Kanal­ struktur und Widerstandsstruktur bzw. Kanalmitte und Heizelementmitte im Bereich 0 X_v < X_o (X_o : Kanalbreite) sinnvoll. Dem angepaßt muß die Kanalbreite gewählt werden. Es gilt X_o < X_k.

Die Anordnung nach Fig. 2 entspricht im wesentlichen der An­ ordnung nach Fig. 1. Aus diesem Grund sind gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen. Im Gegensatz zu Fig. 1 ist jedoch ein Spalt Z_s zwischen den Kanalstegen 11, 12, 13, 14 und der Oberfläche des Substrates 1 vorhanden. (Der Spalt nach Fig. 1b und 1c ist vernachlässigbar klein). Wegen dieses Spaltes ist zwar, wie bereits beschrieben, eine Änderung der Position des Oberteils 6 gegenüber dem Substrat 1 auch während des Be­ triebes möglich. Um ein Nebensprechen zweier benachbarter Düsen auszuschließen, gilt folgende Bedingung für die maximale Spalt­ breite 0 Z_s < Z_smax,
wobei Z_smax die maximale Spaltbreite ist, bei der für X_v = (X_o + X_k)/2 Nebensprechen auftritt. Z_smax ist für eine ge­ gebene Düsenteilung T zu ermitteln bzw. bei vorgegebener Spalt­ breite Z_s ist die Düsenteilung T entsprechend zu wählen.

Claims (9)

1. Druckkopf für einen Tintenstrahldrucker

• - mit einem Oberteil (6), das eine Anzahl von in jeweils bestimmten Abständen (T) parallel verlaufenden Kanälen (7, 8, 9, 10) bestimmter Breite (X_o) aufweist, die durch Kanalstege (11, 12, 13, 14, 15) begrenzt und an einer einem Substrat (1) zugewandten Längsseite offen sind und die an einer Seite des Oberteils (6) in einer Düsenreihe angeord­ nete Düsenöffnungen aufweisen,
• - wobei das Substrat (1) die offene Längsseite der Kanäle (7, 8, 9, 10) verschließt und eine Widerstandsstruktur trägt, die in den bestimmten Abständen (T) der Kanäle (7, 8, 9, 10) entsprechenden Abständen jeweils ein innerhalb der bestimmten Breite (X_o) jedes Kanals (7, 8, 9, 10) sich erstreckendes Heizelement (2, 3, 4, 5) ausbildet, dadurch gekennzeichnet, daß das Oberteil (6) mit den Kanalstegen (11, 12, 13, 14, 15) gegenüber der Widerstandsstruktur derart seitlich versetz­ bar ist, daß die Heizelemente (2, 3, 4, 5) von den Kanalstegen (11, 12, 13, 14, 15) partiell verdeckt sind, wobei dann der in­ nerhalb eines Kanales (7, 8, 9, 10) liegende Flächenbereich des zugehörigen Heizelementes (2, 3, 4, 5) weniger als die ge­ samte Breite (X_o) des Kanales (7, 8, 9, 10) überdeckt, so daß die für den jeweiligen Kanal (7, 8, 9, 10) wirksame Heizfläche des Heizelementes (2, 3, 4, 5) gegenüber seiner gesamten Heizfläche verkleinert ist.

2. Druckkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Substrat (1) zugewandten Stirnseiten der Kanal­ stege (11, 12, 13, 14, 15) im Bereich der verdeckten Flächenbe­ reiche der Heizelemente (2, 3, 4, 5) spaltlos auf diesen liegen.

3. Druckkopf nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material für die Kanalstege (11, 12, 13, 14, 15) eine hohe Temperaturbeständigkeit aufweist.

4. Druckkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material ein Halbleiter, Glas oder Metall ist.

5. Druckkopf nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der seitliche Versatz (X_v) zwischen den Kanalstegen (11, 12, 13, 14, 15) und der Widerstandsstruktur einstellbar ist.

6. Druckkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den dem Substrat zugewandten Stirnseiten der Kanalstege (11, 12, 13, 14, 15) und der Widerstandsstruktur ein Spalt derart geringer Höhe besteht, daß bei einem Versatz (X_v), der der halben Kanalbreite (X_o) plus der halben Kanalstegbreite (X_k) entspricht, kein Nebensprechen auftritt.

7. Druckkopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Material für die Kanäle (7, 8, 9, 10) im Oberteil (6) Kunststoff, Halbleiter, Glas oder Metall ist.

8. Druckkopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach Verändern der Position der Kanalstege (11, 12, 13, 14, 15) gegenüber der Widerstandsstruktur die Höhe des Spaltes auf Null reduzierbar ist.

9. Druckkopf nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduzierung durch Federkrafteinwirkung vornehmbar ist.