DE69108438T2

DE69108438T2 - Flüssigkeitsstrahlverfahren, Aufzeichnungskopf und -vorrichtung zur Verwendung dieses Verfahrens.

Info

Publication number: DE69108438T2
Application number: DE69108438T
Authority: DE
Inventors: Akira Asai
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-04-28
Filing date: 1991-04-26
Publication date: 1995-09-14
Anticipated expiration: 2011-04-27
Also published as: US5218376A; EP0455167B1; JPH0412859A; EP0455167A3; DE69108438D1; ES2069767T3; EP0455167A2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Flüssigkeitsstrahlverfahren, einen Aufzeichnungskopf und eine Aufzeichnungsvorrichtung, die dieses Verfahren nutzen, wobei Flüssigkeit in einem Durchgang aufgeheizt und verdampft wird.
Als Flüssigkeitsstrahlverfahren, bei dem Flüssigkeit aufgeheizt wird, um einen hohen Druck zu erzeugen, um die Flüssigkeit auszustoßen, ist folgendes bekannt.
Die japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. 59975/1980 offenbart ein Gerät, bei dem die Flüssigkeitszufuhrrichtung und die Flüssigkeitsausstoßrichtung einen Winkel von annähernd 90º bilden, wodurch eine gute Ausstoßeffizienz, ein schnelles Ansprechen des Ausstoßes und ein stabiler Ausstoß und eine gute Leistungsfähigkeit für Langzeitaufzeichnungen erzielt wird.
Die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 132270/1980 offenbart ein Gerät, bei dem ein Hitzeerzeugungselement von der Ausstoßöffnung, die einen Durchmesser d aufweist, um die Strecke d - 50d entfernt angeordnet ist, so daß eine gute thermische Wirksamkeit, eine gute Antwortgeschwindigkeit zum Ausstoßen der Flüssigkeitströpfchen und Ausstoßstabilität erzielt werden.
Die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 132276/1980 offenbart ein Gerät, bei dem die Abmessungen und die Position des Hitzeerzeugungselements und die Länge der Flüssigkeitspassage so ausgewählt sind, daß sie eine vorbestimmte Beziehung erfüllen, wodurch die Energieeffizienz verbessert wird und ein guter Aufzeichnungsbetrieb bei hoher Geschwindigkeit erzielt wird.
Die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 154171/1980 offenbart ein Gerät, bei dem eine obere Schicht eine Hitzeerzeugungswiderstandsschicht und eine untere Schicht des Hitzeerzeugungselements eine Dicke aufweisen, die eine vorbestimmte Beziehung erfüllen, so daß die thermische Energie mit einem hohen Wirkungsgrad auf die Flüssigkeit einwirkt und das thermische Ansprechen verbessert wird.
Die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 46769/1981 offenbart einen Aufzeichnungskopf, wobei die Flüssigkeitspassage und das Hitzeerzeugungselement eine vorbestimmte Beziehung bezüglich ihrer Position und Abmessung erfüllen, wodurch die Energie sehr wirksam zum Ausstoßen der Flüssigkeitströpfchen verwendet wird, so daß das Flüssigkeitströpfchen stabil ausgebildet wird.
Die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 1571/1983 offenbart ein Aufzeichnungsverfahren, bei dem die Antriebsspannung 1,02 - 1,3 mal so groß ist wie die minimale Bläschenerzeugungsspannung, so daß die Qualität des aufgezeichneten Bildes stabil verbessert wird.
Die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 236758/1985 offenbart einen Aufzeichnungskopf, bei dem eine obere Schutzschicht für das Hitzeerzeugungselement dünner als die anderen Schutzschichten ist, durch die der Verlust thermischer Energie vermindert wird, wodurch die Haltbarkeit verbessert wurde.
Die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 40160/1986 offenbart einen Aufzeichnungskopf, bei dem Widerstandsmaterial in der Nachbarschaft des Hitzeerzeugungselementes vorgesehen ist, wobei das Widerstandsmaterial verschiedene Widerstandskoeffizienten, abhängig von der Flußrichtung der Flüssigkeit, aufweist, wodurch die hitzeaktiven Abschnitte mit hoher Dichte angeordnet werden können und die sich in der Praxis erweisende Zuverlässigkeit verbessert werden kann.
Die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 104764/1987 offenbart ein Aufzeichnungsverfahren, bei dem die Breite der Aufheizungsimpulse innerhalb eines vorbestimmten Bereichs beschränkt wird, der auf der Basis des Aufbaus des Hitzeerzeugungselements ausgewählt wurde, wodurch die Flüssigkeitströpfchen wirksam mit geringerer Energie ausgestoßen werden können.
Jedoch wurde bei dem herkömmlichen Verfahren und dem herkömmlichen Gerät die Aufmerksamkeit nur der Wirksamkeit der Hitzeübertragung von dem Hitzeerzeugungselement zu der Flüssigkeit und der Energieeffizienz in der Flüssigkeitsbewegung in dem Flüssigkeitsdurchgang geschenkt; keine Aufmerksamkeit wurde der Wirksamkeit der Energieumwandlung von Hitze in kinematische Energie der Flüssigkeit gewidmet.
Daher weist der Stand der Technik das Problem aus, daß, auch wenn die Wirksamkeit der Hitzeübertragung und die Energieeffizienz der Flüssigkeitsbewegung gut sind, die gesamte Energieeffizienz gering ist, da die Wirksamkeit der Energieumwandlung von Hitze in Fluidbewegung schlecht ist.
Zum Beispiel wird die Energieeffizienz verringert, auch wenn ein bestimmter Aufzeichnungskopf eine gute Energieeffizienz aufweist, wenn die Abmessung oder Abmessungen der Flüssigkeitspassage bzw. des Durchgangs verändert werden. Hierdurch kann ein Absenken der Wirksamkeit der Energieumwandlung von Hitze in Bewegungsenergie der Flüssigkeit verursacht werden.
Andererseits ist der Wirkungsgrad der Energieumwandlung von Hitze in Bewegungsenergie in einer reversiblen Hitzemaschine (1-T2/T1), wobei T1 die absolute Temperatur einer Hochtemperaturquelle ist und T2 die absolute Temperatur einer Temperaturquelle geringer Temperatur, wie gut bekannt. Da jedoch der Verdampfungsprozeß der Flüssigkeit und das Ausstoßen der Flüssigkeit aufgrund des hohen Drucks, der aus der Verdampfung resultiert, ein extrem irreversibler Prozeß ist, ist daher das Gesetz des reversiblen Prozesses nicht anwendbar.
Entsprechend ist es eine vornehmliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Flüssigkeitstrahlverfahren zu schaffen, bei dem der Wirkungsgrad erhöht ist, und des weiteren einen Aufzeichnungskopf sowie ein Aufzeichnungsgerät zu schaffen, die dieses Verfahren verwenden.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Flüssigkeitsstrahlverfahren zu schaffen, bei dem die Gesamtenergieeffizienz verbessert wird, sowie einen Aufzeichnungskopf und ein Aufzeichnungsgerät zu schaffen, die dieses Verfahren verwenden.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Flüssigkeitsstrahlverfahren zu schaffen, bei dem die Wirksamkeit der Energieumwandlung von Hitzeenergie zu kinetischer Energie der Flüssigkeit verbessert wird, sowie einen Aufzeichnungskopf und ein Aufzeichnungsgerät zu schaffen, die dieses Verfahren verwenden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Flüssigkeitsstrahlverfahren zum Ausstoßen von Flüssigkeit geschaffen, bei dem ein Bläschen verwendet wird, das durch Heizen der Flüssigkeit in der Passage bzw. im Durchgang erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine dimensionslose Zahl Z nicht geringer als 0,5 und nicht größer als 16 ist, wobei die Zahl Z bestimmt ist aufgrund der Beschaffenheit der Flüssigkeit, des Hitzeflusses und der Beschaffenheit der Passage und darüberhinaus kennzeichnend für einen Aufzeichnungskopf ist;
wobei Z = (π/6)1/2Tgk(Pg/q&sub0;)3/2/(PgLg a SHA)1/2
Tg ist die Superheizgrenztemperatur eines Hauptbestandteiles der Flüssigkeit;
Pg ist der gesättigte Dampfdruck eines Hauptbestandteils der Flüssigkeit bei einer Temperatur Tg;
Pg ist die gesättigte Dampfdichte eines Hauptbestandteils der Flüssigkeit bei einer Temperatur Tg;
Lg ist das latente Bild der Verdampfung des Hauptbestandteils der Flüssigkeit bei einer Temperatur Tg;
k ist die Hitzeleitfähigkeit des Hauptbestandteils der Flüssigkeit bei der Temperatur des Aufzeichnungskopfes vor dem Heizvorgang;
a ist die Wärmeleitfähigkeit des Hauptbestandteils der Flüssigkeit bei der Temperatur des Aufzeichnungskopfes vor dem Heizvorgang;
q&sub0; ist der Hitzefluß, der die Flüssigkeit aufheizt;
SH ist die Fläche des Teiles (Heizfläche) des Hitzeerzeugungselements, das die Flüssigkeit erhitzt;
A gibt die Trägheit des Flüssigkeitsdurchgangs unter den Bedingungen an, daß die Heizfläche die Druckquelle darstellt und die Flüssigkeitszufuhröffnung und die Flüssigkeitsausstoßöffnung offene Grenzen darstellen, und daß die Wand, die den Durchgang begrenzt, eine Wand bzw. feste Grenze ist;
π ist die Zahl π;
W ist die Arbeit, die von einem Bläschen an der Flüssigkeit verrichtet wird;
Q ist die Hitze, die von einem Hitzeerzeugungselement auf die Flüssigkeit aufgebracht wurde, vom Beginn des Heizens an bis zur Erzeugung einer Blase.
Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher werden, wenn die folgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung in Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen studiert wird.
Figur 1 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der dimensionslosen Zahl Z und dem thermischen Wirkungsgrad darstellt, um das grundlegende Konzept der vorliegenden Erfindung zu zeigen.
Figur 2 zeigt den Aufbau eines Aufzeichnungskopfes gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Figur 3 ist ein Diagramm, das die Bedingungen für ein optimales Design beim ersten Ausführungsbeispiel zeigt.
Figur 4 zeigt den Aufbau eines Aufzeichnungskopfes gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Figur 5 zeigt die Bedingungen für ein optimales Design beim zweiten Ausführungsbeispiel.
Figuren 6A, 6B, 6C, 6D und 6E zeigen Zeitdiagramme, die die Änderungen des inneren Drucks und des Volumens eines Bläschens bei dem Flüssigkeitsstrahlverfahren gemäß einem Aspekt der Erfindung zeigen.
Figur 7 illustriert das Ausstoßen der Flüssigkeit bei dem Flüssigkeitsstrahlverfahren und dem Gerät gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung.
Figuren 8A und 8B verdeutlichen das Flüssigkeitsstrahlverfahren und das Gerät gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung.
Bei den vergangenen Untersuchungen des Erfinders wurde herausgefunden, daß eine grundsätzliche Beziehung zwischen einer dimensionslosen Zahl Z, die spezifisch für einen Aufzeichnungskopf ist, und dem Wirkungsgrad n = W/Q gemäß Figur 1 besteht, wobei
Z = (π/6)1/2Tgk(Pg/q&sub0;)3/2/(PgLg a SHA)1/2
ist, wobei
Tg ist die Superheizgrenztemperatur eines Hauptbestandteiles der Flüssigkeit;
Pg ist der gesättigte Dampfdruck eines Hauptbestandteils der Flüssigkeit bei einer Temperatur Tg;
Pg ist die gesättigte Dampfdichte eines Hauptbestandteils der Flüssigkeit bei einer Temperatur Tg;
Lg ist das latente Bild der Verdampfung des Hauptbestandteils der Flüssigkeit bei einer Temperatur Tg;
k ist die Hitzeleitfähigkeit des Hauptbestandteils der Flüssigkeit bei der Temperatur des Aufzeichnungskopfes vor dem Heizvorgang;
a ist die Wärmeleitfähigkeit des Hauptbestandteils der Flüssigkeit bei der Temperatur des Aufzeichnungskopfes vor dem Heizvorgang;
q&sub0; ist der Hitzefluß, der die Flüssigkeit aufheizt;
SH ist die Fläche des Teiles (Heizfläche) des Hitzeerzeugungselements, das die Flüssigkeit erhitzt;
A gibt die Trägheit des Flüssigkeitsdurchgangs unter den Bedingungen an, daß die Heizfläche die Druckquelle darstellt und die Flüssigkeitszufuhröffnung und die Flüssigkeitsausstoßöffnung offene Grenzen darstellen und daß die Wand, die den Durchgang begrenzt, eine Wand bzw. feste Grenze ist;
π ist die Zahl π;
W ist die Arbeit, die von einem Bläschen an der Flüssigkeit verrichtet wird;
Q ist die Hitze, die von einem Hitzeerzeugungselement auf die Flüssigkeit aufgebracht wurde vom Beginn des Heizens an bis zur Erzeugung einer Blase.
Wie von Figur 1 verstanden werden wird, beträgt der thermische Wirkungsgrad n nicht weniger als 50 % seines Maximums, wenn 0,5 ≤ Z ≤ 16. Entsprechend ist 0,5 ≤ Z ≤ 16 ein wünschenswerter Wert für einen guten thermischen Wirkungsgrad.
Es wird nun beschrieben, wie die in Figur 1 gezeigte Beziehung gewonnen wird.

(1) Bläschenerzeugungstemperatur

Wenn die Flüssigkeit mit einem hohen Hitzefluß erhitzt wird, ist die Temperatur, bei der die Flüssigkeit zu kochen beginnt, wesentlich höher, als die normale Siedetemperatur und ist nahe der Superheizgrenztemperatur Tg der Flüssigkeit.
Dies kommt daher, daß unter normalen Siedebedingungen die Luft oder der Dampf, die von der Hitzefläche gefangengehalten werden, als Kerne arbeiten, wobei unter Bedingungen des Heizens mit hohem Hitzefluß (heat flux) spontane Kernerzeugung aufgrund der Molekülbewegung der Flüssigkeit die Hauptursache für ein Sieden der Flüssigkeit darstellt.
Die Superheizgrenztemperatur Tg der Flüssigkeit ist bestimmt als die Temperatur T, die folgende Gleichung erfüllt:
tV (NAP/m) (3NAΘ(T)/πm)1/2 (1)
exp[-(16πΘ³(T)/3(PS(T)-Pamb)² kBT) = 1
t ist die Heizzeit;
V ist das Volumen der Flüssigkeit, die während der Heizzeit t erhitzt wird. t ( 2 aπ SH);
NA ist die Avogardozahl;
m ist das Molekulargewicht der Flüssigkeit;
p ist die Dichte der Flüssigkeit;
kB ist die Boltzmann-Konstante;
Pamb ist der Standardatmosphärendruck;
Θ(T) und PS(T) sind die Oberflächenspannung und der Dampfdruck im gesättigten Zustand bei einer Temperatur T.

(2) Änderung des Bläschenvolumens Vv mit der Zeit

Sofort nach dem Erzeugen des Bläschens ist die Geschwindigkeit des Fluids gering und daher sind die Convention- und Viskositätsbeziehungen vernachlässigbar.
Dann ist
V u = 0 (2)
P(du/dt) +Vp = 0
wobei u der Vektor der Fließgeschwindigkeit und p das Druckfeld ist.
Der Druck des Bläschens ist pV. Da die Grenze des Bläschens im wesentlichen gleich der Heizoberfläche unmittelbar nach der Bläschenbildung ist,
V²p = 0 (3)
p = pV, on SH
p = pamb, on Samb
wobei SH die Heizfläche bzw. ein Bereich davon ist, Samb eine offene Grenze wie die Öffnung des Flüssigkeitseinlasses oder die Öffnung des Flüssigkeitsauslasses ist und Θ eine Funktion darstellt, die lediglich durch die Gestalt der Flüssigkeitspassage bestimmt ist und als Gleichung wie folgend definiert ist:
an der Wand der Passage
Das Volumen des Bläschens Vv genügt unmittelbar nach dem Erzeugen des Bläschens der folgenden Gleichung:
Dann
wobei n der Vektor der normalen Linien von der Heizfläche zu der Flüssigkeit ist.
Der Term (7) wird mit folgenden Anfangsbedingungen integriert:
Vv = 0, at t = 0 (8)
dVv/dt = 0, at t = 0
Dann wird der Wechsel des Volumens unmittelbar nach der Ausbildung des Bläschens angegeben durch
wobei A die Trägheit der Passage darstellt, wenn die Heizfläche die Druckquelle ist und die Zufuhröffnung und Ausstoßöffnung offene Grenzen sind und angegeben werden durch
Unmittelbar nach der Erzeugung des Bläschens
PV Pg (11)
Da Pg » Pamb, resultiert das folgende aus dem Ausdruck (9):
dVv/dt = Pg t/A (12)
Vv = Pgt²/2A

(3) Änderung der Bläschentemperatur Tv mit der Zeit

Wenn das Heizen simultan mit der Ausbildung des Bläschens gestoppt wird, wird der Enthalpiewechsel des Sytemes unmittelbar nach der Erzeugung des Bläschens durch den ersten Satz der Thermodynamik angegeben:
dH/dt = SH qV(t) + Vv(dpv/dt) (13)
wobei qv(t) der Hitzefluß von der Flüssigkeit zu dem Bläschen ist.
Unmittelbar nach der Erzeugung des Bläschens
dH/dt LgPg (dVv/dt) (14)
Wobei zu beachten ist, daß der erste Ausdruck auf der rechten Seite der Gleichung (13) vernachlässigbar gering ist im Vergleich zu dem ersten Ausdruck, wobei aus dem Ausdruck (13) folgendes folgt:
qV(t) = (PgPgLg/SH^)t (15)
Wenn es kurz nach der Erzeugung des Bläschens ist und die Heizperiode kurz ist und die Temperaturverteilung in der Flüssigkeit eindimensional in einer Richtung senkrecht zur Heizfläche ist, folgt das folgende aus der Gleichung (15):
TV = Tamb + (2q&sub0;/k) a(t&sub0;+t)/π -2/k[q&sub0;+(2pgPgLg/3SHA)t] at/π (16)
wobei t&sub0; die Zeit darstellt, die vom Start des Heizens bis zur Erzeugung des Bläschens vergangen ist und angegeben wird durch:
t&sub0; = (π/4a) [(Tg-Tamb)²k²/q&sub0;²] (17)
Von den Gleichungen (16) und (17) ergibt sich der Temperaturwechsel unmittelbar nach der Erzeugung des Bläschens als
TV Tg - (2/k)[q&sub0;+2PgPgLg/3SHA)t] at/π = Tg [1-αgβg(1+t/tx) t/ty (18)
tx = 3q&sub0;SHA/2PgPgLg
ty = (αgβgTgk)²/4q&sub0;²a

(4) Änderung des Bläschendrucks mit der Zeit

Gleichung von Clausius-Clapeyson:
dpV/dTv = Lv/Tv(1/PV-1/P&sub1;) (19)
Dies wird integriert von der Temperatur Tg zur Temperatur Tv mit den folgenden Bedingungen:
Pv = PvGTV (20)
[P&sub1;/(P&sub1;-Pv)]Lv [P&sub1;/(P&sub1;-Pg)] Lg
Dann
pv pgexp[1/αgβg(1-Tg/Tv)] (21)
wobei G die Gaskonstante ist, Lv, Pv und P&sub1; die latente Verdampfungsgeschwindigkeit darstellen, die Dichte des Dampfes und die Dichte der Flüssigkeit im gesättigten Zustand bei Temperatur Tv und
αg = 1 - Pg/P (22)
βg = Pg/PgLg
Da unmittelbar nach der Erzeugung des Bläschens der zweite Term geringer ist als der erste Term auf der rechten Seite der Gleichung (18) ergibt die Einsetzung der Gleichung (18) in die Gleichung (21):
pv pgexp[-(1+t/tx) t ty (23)
Daraus wird die Zeitperiode (Zeitkonstante) te bis pv gleich pg (1/e)
te = txf( ty/tx) (24)
wobei f(Z) die Wurzel der folgenden algebraischen Gleichung mit dem Parameter Z ist:
1 + f = Z/ f (25)

(5) Thermischer Wirkungsgrad

Das meiste der Arbeit W des Bläschens auf die Flüssigkeit ist getan, wenn der Druck unmittelbar nach dem Erzeugen des Bläschens hoch ist und daher ist pV » pamb in Gleichung (9).
Dann
W p²/2A (26)
wobei p der Impuls aufgrund des Druckes pv ist und angegeben wird durch:
P α Pgte (27)
Auf der anderen Seite wird die Hitze Q vor der Erzeugung des Bläschens angegeben durch
Q = SHq&sub0;t&sub0; = π (Tg-Tamb)²k²SH/4aq&sub0; (28)
Daher ist der Wirkungsgrad n, wenn das Bläschen als Hitzemaschine angesehen wird
n = W/Q
α (3/4)αg²βg³[Tg/(Tg-Tamb)]² [f(z)/Z]² (29)
wobei
z = ty/tx = (π/6)1/2Tgk(pg/q&sub0;)3/2 1/(PgLg a SHA)1/2 (30)
Figur 1 zeigt die Darstellung der Funktion von Z die von der Gleichung (29) erhalten wurde.

Ausführungsbeispiel 1

Diese Überlegungen werden beim Design eines Tintenstrahlaufzeichnungskopfes gemäß Figur 2 angestellt. Der Bereich wird in Netze von Würfeln mit einer Größe von 1/20 unterteilt. Die Gleichung (5) wird durch das Verfahren der finiten Elemente gelöst.
Dann ist
A = 0.97 P/l
Da
SH = l²
dann
Z = (π/6)1/2Tgk(pg³/PgLgaP)1/2 (1/1 3q&sub0;³l)1/2
Um 0.5 ≤ Z ≤ 16 zu erfüllen
π/6 (Tg k)²/0.97x16² Pg³/PgLgap ≤ q&sub0;³l ≤ π/6 (Tg k)²/0.97x0.5² Pg³/PgLgaP
Bei Tinte vom Wassertyp als Flüssigkeit
Tg 600 K,
Pg 1.2x10&sup7;Pa
Pg 0.073x10³ kg/m³
Lg 1.2x 10&sup6;J/kg,
k 6.1x10&supmin;¹W/(m k),
a 1.5x10&supmin;&sup7; m²/s,
P 1.0x10³ kg/m³.
Um 0.5 ≤ Z ≤ 16 zu erfüllen,
9.3x10¹&sup8; W³/m&sup5; ≤ q&sub0;³l ≤ 9.5x10²¹ W³/m&sup5;
Dies wird als der strichlinierte Bereich in Figur 3 ausgedrückt.

Ausführungsbeispiel 2

Diese Überlegungen werden beim Design eines Tintenstrahlaufzeichnungskopfes gemäß Figur 4 angestellt. Der Bereich ist in ein Netz von Würfeln der Größe 1/20 unterteilt. Die Gleichung (5) wird durch Benutzung des Verfahrens der finiten Elemente gelöste.
Dann
A = 0.63P/l
Ähnlich Ausführungsbeispiel 1 um 0.5 ≤ Z ≤ 16 zu erfüllen, wenn die Tinte vom Wassertyp ist.
Dann
1.4x10¹&sup9; W³/m&sup5; ≤ q&sub0;³l ≤ 1.5x10²² W³/m&sup5;
Dies wird durch den strichlinierten Bereich in Figur 5 angegeben.
Bezugnehmend auf Figur 1 wird die dimensionslose Zahl Z weiter im Detail beschrieben. Es wird bevorzugt, daß der thermische Wirkungsgrad nicht weniger als 60 % des maximalen Wirkungsgrads ist, da dann in der Praxis ein Designfehler angepaßt werden kann. Dies wird erfüllt, wenn die dimensionslose Zahl Z nicht geringer ist als 0,58 und nicht höher als 11,7, was aus Figur 1 leicht zu verstehen ist. Wenn dies erfüllt ist, wird der Bereich bei der Herstellung von Flüssigkeitsstrahlköpfen verbessert und die Flüssigkeitsstrahlleistungsfähigkeit aller Flüssigkeitspassagen wird gewährleistet, wenn mehrere Flüssigkeitspassagen zu einer gemeinsamen Flüssigkeitskammer verbunden werden. Zusätzlich ist das Herstellen möglich ohne die Notwendigkeit des komplizierten Wiederherstellungs- und Abdeckprozesses. Mit anderen Worten kann die Ausbeute bemerkenswert erhöht werden und die Aufzeichnungsleistungsfähigkeit kann stabilisiert werden. Ist der thermische Wirkungsgrad nicht weniger als 70 % des Maximums, mit anderen Worten, die dimensionslose Zahl Z nicht weniger als 0,7 und nicht mehr als 7,9, kann der thermische Wirkungsgrad weiter erhöht werden, so daß ein hochfrequenter Antrieb der in der Praxis schwer einzusetzen war, realisiert werden kann. Die Vorteile werden weiter erhöht, wenn der thermische Wirkungsgrad nicht weniger als 80 % ist, d.h. die dimensionslose Zahl Z nicht weniger als 0,83 und nicht mehr als 5,8. Und weiter, wenn der Wirkungsgrad nicht weniger als 90 % ist, d.h. die dimensionslose Zahl Z nicht weniger als 1,1 und nicht mehr als 4,0 und insbesondere, wenn der Wirkungsgrad nicht weniger als 99 % ist, d.h. die dimensionslose Zahl Z nicht weniger als 1,6 und nicht mehr als 2,5.
Die vorliegende Erfindung ist mit jeglichen herkömmlichen Flüssigkeitsstrahlverfahren verwendbar, bei dem ein Bläschen von der Flüssigkeit erzeugt wird (einschließlich einer Flüssigkeit, die flüssig beim Flüssigkeitsausstoß wird durch den Gebrauch thermischer Energie). Die vorliegende Erfindung ist jedoch besonders vorteilhaft, wenn ein System verwendet wird, bei dem ein halbkissenartiges Bläschen ausgebildet wird, in dem ein abrupter Temperaturanstieg auf eine Temperatur über der Kernsiedetemperatur verursacht wird und ein Filmsieden durch die Heizoberfläche verursacht wird.
Die vorliegende Erfindung wird ebenfalls vorteilhaft verwendet mit einem Flüssigkeitsausstoßsystem, das hierin später beschrieben wird und in der Patentanmeldung, die dem Anmelder dieser Anmeldung übertragen wurde, beschrieben wird, da die vorteilhaften Effekte der vorliegenden Erfindung weiter verstärkt werden.
Die Figuren 6(a), 6(b), 6(c), 6(d) und 6(e) zeigen Diagramme, die den internen Bläschendruck vs wiedergeben und die Volumenänderung mit der Zeit bei einem ersten speziellen Flüssigkeitsstrahlverfahren und einem entsprechenden Gerät gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dieser Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird wie folgt zusammengefaßt
(1) Ein Flüssigkeitsstrahlverfahren, bei dem eine Blase durch Heizen der Tinte erzeugt wird, um zumindest einen Teil der Tinte mittels der Blase auszustoßen und wobei die Blase mit der Umgebung unter Bedingungen kommuniziert, daß der interne Druck der Blase nicht höher ist als der Umgebungsdruck.
(2) Ein Aufzeichnungsgerät, das einen Aufzeichnungskopf aufweist, der eine Ausstoßöffnung hat, durch die zumindest ein Teil der Tinte mittels einer Blase ausgestoßen wird, die durch Heizen der Tinte mit einer Ausstoßenergieerzeugungseinrichtung erzeugt wurde, einer Antriebsschaltung zum Antreiben der Ausstoßenergieerzeugungseinrichtung, so daß die Blase mit der Umgebung unter Bedingungen kommuniziert, daß der innere Druck der Blase nicht höher ist als der Umgebungsdruck und eine Platte zum Lagern des Aufzeichnungsmaterials, um dieses gegenüber der Ausstoßöffnung vorzusehen, vorhanden ist.
Entsprechend einem speziellen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird das Volumen und die Geschwindigkeit der ausgestoßenen Flüssigkeitströpfchen so vorgesehen, daß ein Verspritzen oder Flüssigkeitsnebel, das verantwortlich ist für die Unmöglichkeit einer zufriedenstellenden Hochgeschwindigkeitsaufzeichnung, unterdrückt werden. Die Verunreinigung des Hintergrundes des Bildes kann ebenso verhindert werden. Wenn die vorliegende Erfindung in einem Gerät vorgesehen wird, kann die Verunreinigung des Gerätes verhindert werden. Die Ausstoßeffizienz wird verbessert. Auch das Verstopfen der Ausstoßöffnung oder der Flüssigkeitspassage kann verhindert werden. Die Lebensdauer des Aufzeichnungskopfes kann bei hoher Druckqualität verlängert werden.
Bezugnehmend auf Figur 7 wird das Prinzip der Flüssigkeitsausstoßung beschrieben, bevor die Figuren 6A - 6D beschrieben werden. Die Flüssigkeitspassage besteht aus einer Basis 1, einer Topplatte 4 und nicht dargestellten Wänden.
Figur 7 (a) zeigt den Anfangszustand, bei dem die Passage mit Tinte gefüllt ist. Der Heizer 2 (elektrothermischer Wandler z.B.) wird in diesem Moment mit elektrischem Strom versorgt; die Tinte benachbart dem Heizer 2 wird abrupt aufgeheizt durch die Stromimpulse, wobei eine Blase 6 auf dem Heizer 2 durch sogenannte Filmsieden ausgebildet wird und die Blase abrupt expandiert (Figur 7(b)). Die Blase expandiert weiter bis zu Ausstoßöffnung 5, d.h. in Richtung des geringen Trägheitswiderstandes. Sie expandiert weiter über den Auslaß 5 hinaus, so daß diese in Verbindung mit der Umgebung kommt (Figur 7(c)). Zu dieser Zeit ist die Umgebung in Gleichgewicht mit der Innenseite der Blase 6 oder sie tritt in die Blase 6 ein.
Die Tinte 3 wird durch die Blase durch den Auslaß 5 gedrückt und bewegt sich weiter aufgrund des Moments, das ihr durch die Expansion der Blase gegeben wurde, bis sie ein unabhängiges Tröpfchen wird und auf dem Aufzeichnungsmaterial 101, beispielsweise Papier (Figur 7 (d)), abgelegt wird. Der Hohlraum, der benachbart zum Auslaß 5 ausgebildet wurde, wird durch Tinte aufgefüllt, die von hinten aufgrund der Oberflächenspannung der Tinte 3 und durch Benetzen des Teiles, das die Flüssigkeitspassage definiert, zugeführt wird so daß der ursprüngliche Zustand (Figur 7(e)) wieder hergestellt wird. Das Aufzeichnungsmedium 101 wird zu der Position, bei der es dem Tintenausstoßauslaß 5 gegenüberliegt, gefördert, auf einer Platte mittels einer Walze der Platte eines Bandes oder einer geeigneten Kombination dieser. Als Alternative kann das Aufzeichnungsmaterial 101 fixiert werden, während der Auslaß (der Aufzeichnungskopf) bewegt wird. Oder beide können bewegt werden, so daß eine Relativbewegung zwischen diesen vorliegt. Wobei eine Relativbewegung benötigt wird, um den Auslaß einer gewünschten Position auf dem Aufzeichnungsmaterial gegenüberliegend anzuordnen.
In Figur 7(c) ist es im Fall, daß das Gas nicht zwischen der Blase 6 und der Umgebung bewegt wird oder daß das umgebende Gas oder die Gase in die Blase eintreten, zu dem Zeitpunkt, wenn die Blase 6 mit der Umgebung in Verbindung tritt, wünschenswert, daß die Blase mit der Umgebung in Verbindung steht unter der Bedingung, daß der Druck der Blase gleich oder geringer als der des Umgebungsdruckes ist.
Um das oben Genannte zu erfüllen, kommt die Blase in einer Zeitperiode, die t ≥ t1 gemäß Figur 6(a) erfüllt, in Verbindung mit der Umgebung. Die Beziehung zwischen dem inneren Druck in der Blase und dem Blasenvolumen mit dem Zeitablauf wird in Figur 6(b) dargestellt, da die Tinte aufgrund einer Expansion der Blase ausgestoßen wird. Daher kommt die Blase mit der Umgebung in Verbindung innerhalb einer Zeit, die erfüllt t = tb (t1 ≤ tb) in Figur 6(c).
Das Ausstoßen des Tröpfchens unter diesen Bedingungen wird bevorzugt gegenüber einem Ausstoßen mit einem Blaseninnendruck, höher als der Umgebungsdruck (das Gas wird in die Umgebung ausgestoßen), bei der die Verunreinigung von Aufzeichnungspapier oder der Innenseite des Gerätes aufgrund von Tintennebel oder -spritzern auftritt.
Zusätzlich benötigt die Tinte ausreichend Energie und daher wird weiter bevorzugt, das Bläschen mit der Umgebung unter der Bedingung in Verbindung kommen zu lassen, daß der innere Druck des Bläschens geringer ist als der äußere Druck, da die oben erwähnten Vorteile hierdurch weiter erhöht werden.
Das Inverbindungtreten mit geringen Druck ist wirksam, um zu verhindern, daß nicht stabile Tinte in Nachbarschaft des Auslasses verspritzt, was andernfalls wahrscheinlich auftritt. Zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn eine Kraft, nicht sehr groß, auf die nichtstabile Tinte in rückwärtiger Richtung aufgebracht wird, wodurch die Tintenausstoßung weiter stabilisiert wird und ein unnötiges Verspritzen unterdrückt werden kann.
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel weist der Aufzeichnungskopf einen Heizer 2, benachbart zu dem Auslaß 5, auf. Dies ist eine einfache Anordnung, um ein Kommunizieren des Bläschens mit der Umgebung zu erzielen. Jedoch können die oben erwähnten bevorzugten Bedingungen nicht erreicht werden, indem einfach der Heizer 2 nahe dem Auslaß angeordnet wird. Vielmehr muß eine geeignete Auswahl getroffen werden bezüglich des Betrages thermischer Energie (des Aufbaumaterials der Antriebsbedingung der Fläche oder dergleichen des Heizers der thermischen Kapazität eines Elements, das den Heizer trägt oder dergleichen) der Beschaffenheit der Tinte der verschiedenen Größen des Aufzeichnungskopfes (des Abstandes zwischen Ausstoßauslaß und Heizer, der Breite und der Höhe des Auslasses und der Flüssigkeitspassagen).
Als ein Parameter zur effektiven Verwirklichung des ersten Ausführungsbeispieles ist der Aufbau der Flüssigkeitspassage anzusehen, der folgend beschrieben wird. Die Breite der Flüssigkeitspassage ist im wesentlichen bestimmt durch den Aufbau und das verwendete Hitzeerzeugungselement. Es wurde herausgefunden, daß der Aufbau der Flüssigkeitspassage sehr starken Einfluß auf das Wachsen des Bläschens hat und daher ein sehr wirksamer Faktor ist.
Es wurde herausgefunden, daß die Bedingungen für das Inverbindungtreten durch eine Änderung der Höhe der Flüssigkeitspassage gesteuert werden können. Um einen geringen Einfluß der Umgebungsbedingung oder dergleichen zu erhalten und stabiler zu sein, ist es wünschenswert, daß die Höhe der Flüssigkeitspassage geringer ist als deren Breite (H < W).
Es ist auch wünschenswert, daß die Verbindung zwischen Bläschen und Umgebung auftritt, wenn das Bläschenvolumen nicht weniger als 70 % ist und bevorzugterweise nicht weniger als 80 % des maximalen Bläschenvolumens oder des maximalen Volumens, das erreicht wird, bevor das Bläschen mit der Umgebung in Verbindung tritt.
Beschrieben wird folgendes Meßverfahren für die Beziehung zwischen dem Bläscheninnendruck und dem Umgebungsdruck.
Es ist schwierig, den Druck in dem Bläschen direkt zu messen und daher wird die Druckbeziehung zwischen diesen in der folgenden Art bestimmt.
Zuerst wird das Verfahren zum Bestimmen der Beziehung zwischen dem Innendruck und dem Umgebungsdruck auf der Basis der Messung der Veränderungen über die Zeit des Bläschenvolumens und des Volumens der Tinte außerhalb des Auslasses erläutert.
Das Volumen V des Bläschens wird vom Beginn der Bläschenbildung an gemessen, bis das Bläschen in Verbindung mit der Umgebung gerät. Dann wird das Differential zweiter Ordnung d²V/dt² errechnet, durch das die Beziehung (die größer ist) zwischen dem Innendruck und dem Umgebungsdruck bekannt wird, da, wenn d²V/dt² > 0 der Innendruck des Bläschens höher als der Außendruck ist und wenn d²v/dt² ≤ 0 der Innendruck gleich oder geringer als der Außendruck ist. Bezugnehmend auf Figur 6(c) vom Zeitpunkt t = t&sub0; zum Zeitpunkt t = t&sub1; ist der Innendruck höher als der Außendruck und d²v/dt² > 0; vom Zeitpunkt t = t&sub1; zum Zeitpunkt t = tb (Auftreten der Verbindung) ist der Innendruck gleich oder geringer als der Umgebungsdruck und d²v/dt² ≤ 0. So wird durch Bestimmen des Volumendifferentials V, d²v/dt² bestimmt, ob der innere oder der äußere Druck höher ist.
Hierzu ist es notwendig, daß das Bläschen direkt oder indirekt von außen beobachtet werden kann. Um die Beobachtung des Bläschens von außen zu ermöglichen, wird ein Teil des Aufzeichnungskopfes aus transparentem Material gemacht. Dann kann das Entstehen und die Entwicklung des Bläschens von außerhalb beobachtet werden. Wenn der Aufzeichnungskopf aus nicht transparentem Material gemacht ist, kann eine Topplatte oder dergleichen des Aufzeichnungskopfes durch eine Platte aus transparentem Material ersetzt werden. Dabei sollte die ersetzte Platte aus Gründen des Wirkungsgrades, bezüglich der Härte, der Elastizität und dergleichen, so nahe wie möglich an die Orginalplatte herankommen.
Wenn die Topplate des Aufzeichnungskopfes aus Metall, nicht transparenter Keramik oder farbigen Keramikmaterial hergestellt ist, kann diese durch eine Platte aus transparentem Konstoff-Harzmaterial (transparentes Acryl- Harzmaterial) eine Glasplatte oder dergleichen ersetzt werden. Der Teil des Aufzeichnungskopfes, der ersetzt wird und das Material des ersetzten Teiles sind nicht auf die oben beschriebenen beschränkt.
Um Untersciede in der Bläschenbildung und dergleichen aufgrund von Unterschieden in der Beschaffenheit der Materialien zu vermeiden, sollte das eingesetzte Material bezüglich der Benetzungseigenschaften betreffend Tinte oder anderer Eigenschaften so nahe wie möglich an das zu ersetzende Material heran kommen. Ob die Bläschenerzeugung die gleiche ist oder nicht, kann durch einen Vergleich der Ausstoßgeschwindigkeiten, der Volumen der ausgestoßenen Flüssigkeit oder dergleichen vor und nach Ersetzung des Teiles entschieden werden. Wenn ein geeignetes Teil des Aufzeichnungskopfes aus einem transparentem Material beschaffen ist, ist ein Austausch nicht erforderlich.
Auch wenn kein geeignetes Teil durch ein Teil aus anderem Material ersetzt werden kann, ist es möglich, festzustellen, ob der innere Druck oder der äußere Druck höher ist, auch ohne einen entsprechenden Austausch. Dieses Verfahren wird folgend beschrieben.
Gemäß dem Verfahren wird in der Zeitperiode vom Start der Bläschenbildung bis zum Ausstoßen der Tinte, das Volumen Vd der Tinte gemessen und das Differential zweiter Ordnung d²v/dt² erhalten. Dann kann die Beziehung zwischen inneren und äußeren Druck bestimmt werden. Genauer gesagt ist, wenn d²v/dt²> 0 der innere Druck des Bläschens höher als der äußere Druck und wenn d²v/dt² ≤ 0 der innere Druck kleiner als der äußere Druck oder gleich. Figur 6 (d) zeigt den Wechsel, über die Zeit, des Differentials erster Ordnung dVdt/dt des Volumens der ausgestoßenen Tinte wenn das Bläschen mit der Umgebung in Kontakt kommt, wenn der innere Druck höher als der äußere Druck ist. Vom Beginn der Bläschenerzeugung (t = t&sub0;) bis zum Kontakt mit der Umgebung (t = ta) ist der innere Druck des Bläschens höher als der äußere Druck und d²v/dt² > 0. Figur 6 (e) zeigt den Wechsel, über die Zeit, des Differentials erster Ordnung dVd/dt des Volumens der ausgestoßenen Tinte wenn das Bläschen mit der Umgebung in Kontakt kommt, wenn der innner Druck kleiner oder gleich dem äußeren Druck ist. Vom Beginn der Bläschenerzeugung (t = t&sub0;) bis zum Kontakt mit der Umgebung (t = ta) ist der innere Druck des Bläschens höher als der äußere Druck und d²v/dt² = 0. Jedoch ist in der Zeitperiode von t = tp bis t = tb der innere Bläschendruck gleich oder niedriger als der äußere Druck und d²v/dt² ≤ 0.
So kann auf der Basis des Differentials zweiter Ordnung d²v/dt² bestimmt werden, ob der innere oder der äußere Druck höher ist.
Folgend wird die Messung des Volumens Vd der Tinte außerhalb der Ausstoßöffnung beschrieben. Die Ausbildung des Tröpfchens zu irgendeiner Zeit nach dem Ausstoß kann auf der Basis einer Beobachtung des ausgestoßenen Tröpfchens mittels eines Mikroskops bestimmt werden, wobei dieses mittels einer Lichtquelle wie einem Stroboskop, LED oder Laser ausgeleuchtet wird. Der Lichtimpuls wird auf den Aufzeichnungskopf in einem regelmäßigen Intervall ausgesendet, mit einer Synchronisation zwischen diesen und einer vorbestimmten Verspätung. Auf diese Weise kann die Ausbildung des Bläschens in einer Richtung betrachtet werden, zu einem Zeitpunkt eine bestimmte Zeit nach dem Ausstoß. Die Impulsbreite des Lichtimpulses wird bevorzugt so gering wie möglich ausgewählt, vorausgesetzt die ausgesandte Lichtmenge ist ausreichend, um eine Beobachtung zu ermöglichen, da dann die Bestimmung der Bläschenausbildung genau wird.
Mit dieser Methode wird festgestellt, wenn der Gasfluß in der äußeren Richtung von der Flüssigkeitspassage in dem Moment, wenn das Bläschen mit der Umgebung in Kontakt kommt, beobachtet wird, daß das Bläschen mit der Umgebung in Kontakt kommt, wenn der innere Druck des Bläschens größer ist als der äußere Druck. Wenn der Gasfluß in die Flüssigkeitspassage beobachtet wird, wird festgestellt, daß der Kontakt auftritt, wenn der innere Druck geringer ist als der Druck der Umgebung.
Als weitere bevorzugte Bedingungen, kommt das Bläschen mit der Umgebung in Kontakt wenn das Differential erster oder zweiter Ordnung der Bewegungsgeschwindigkeit des Bläschens an der Seite der Ausstoßöffnung negativ ist, wie dargestellt in Figur 8; und wenn das Bläschen mit der Umgebung in Kontakt kommt, wenn la/lb > oder = 1 erfüllt ist, wobei la die Entfernung zwischen dem Ende des Ausstoßenergieerzeugungselements auf der Seite der Ausstoßöffnung und dem Ende des Bläschens auf der Seite der Ausstoßöffnung ist; und lb die Entfernung zwischen dem Ende des Ausstoßenergieerzeugungselements auf der Seite, die von der Ausstoßöffnung entfernt ist und dem Ende des Bläschens auf der Seite, die von der Ausstoßöffnung entfernt ist. Es wird weiter bevorzugt, daß beide der oben gennanten Bedingungen erfüllt sind, wenn das Bläschen mit der Umgebung in Kontakt kommt.
Bezugnehmend auf Figur 7 wird das Wachsen eines Bläschen bei einem Flüssigkeitsstrahlverfahren und einem Gerät gemäß einem zweiten speziellen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt.
Das Außführungsbeispiel wird wie folgt zusammengefaßt:
(3) Ein Aufzeichnungsverfahren, das einen Aufzeichnungskopf benutzt, der eine Ausstoßöffnung zum Ausstoßen von Tinte aufweist, eine Flüssigkeitspassage, die mit der Ausstoßöffnung in Verbindung ist und ein Ausstoßenergieerzeugungselement zum Erzeugen der thermischen Energie aufgrund derer durch die Bildung eines Bläschens in der Flüssigkeitspassage Tinte ausgestoßen wird, wobei wenn das Bläschen mit der Umgebung in Kontakt kommt, la/lb > oder = 1 erfüllt ist, wobei la die Entfernung zwischen dem Ende des Ausstoßenergieerzeugungselements auf der Seite der Ausstoßöffnung und dem Ende des Bläschens auf der Seite der Ausstoßöffnung ist; und lb die Entfernung zwischen dem Ende des Ausstoßenergieerzeugungselements auf der Seite, die von der Ausstoßöffnung entfernt ist und dem Ende des Bläschens auf der Seite, die von der Ausstoßöffnung entfernt ist.
(4) Ein Aufzeichnungsgerät mit einem Aufzeichnungskopf, der eine Ausstoßöffnung zum Ausstoßen von Tinte aufweist, eine Flüssigkeitspassage, die mit der Ausstoßöffnung in Verbindung ist und ein Ausstoßenergieerzeugungselement zum Erzeugen der thermischen Energie aufgrund derer durch die Bildung eines Bläschens in der Flüssigkeitspassage Tinte ausgestoßen wird, und eine Antriebsschaltung zum Zuführen eines Antriebssignales zu dem Ausstoßenergieerzeugungselement, so daß das Bläschen mit der Umgebung in Kontakt kommt, wenn la/lb > oder = 1 erfüllt ist, wobei la die Entfernung zwischen dem Ende des Ausstoßenergieerzeugungselements auf der Seite der Ausstoßöffnung und dem Ende des Bläschens auf der Seite der Ausstoßöffnung ist; und lb die Entfernung zwischen dem Ende des Ausstoßenergieerzeugungselements auf der Seite, die von der Ausstoßöffnung entfernt ist und dem Ende des Bläschens auf der Seite, die von der Ausstoßöffnung entfernt ist, und mit einer Platte zum Unterstützen des Aufzeichnungsmaterials, das die ausgestoßene Tinte aufnimmt.
Figur 7 (a) zeigt den Anfangszustand in dem die Passage mit Tinte 3 gefüllt ist. Der Heizer 2 (zum Beispiel ein elektro-thermischer Wandler) wird sofort mit Strom versorgt, die Tinte in der Nähe des Heizers wird abrupt durch den Stromimpuls in Form des Antriebssignals von der Antriebsschaltung aufgeheizt, wodurch ein Bläschen 6 auf dem Heizer 2 durch sogenanntes Filmsieden erzeugt wird und das Bläschen abrupt expandiert (Figur 7 (b)). Das Bläschen expandiert weiter zu der Ausstoßöffnung 5 hin (Figur 7 (c)), das heißt, in Richtung des geringen Trägheitswiderstandes. Es expandiert weiter über die Öffnung 5 hinaus, so daß es mit der Umgebung in Kontakt kommt (Figur 7(d)). Hier kommt das Bläschen mit der Umgebung in Kontakt kommt, wenn la/lb > oder = 1 erfüllt ist, wobei la die Entfernung zwischen dem Ende des Heizers 2 auf der Seite der Ausstoßöffnung und dem Ende des Bläschens 6 auf der Seite der Ausstoßöffnung ist; und lb die Entfernung zwischen dem Ende des Heizers 2 auf der Seite, die von der Ausstoßöffnung entfernt ist und dem Ende des Bläschens 6 auf der Seite, die von der Ausstoßöffnung entfernt ist.
Die Tinte 3, die von dem Bläschen durch die Öffnung 5 gedrückt wird, bewegt sich weiter aufgrund des Moments, das ihr von der Expansion des Bläschens mitgegeben wurde, bis es ein unabhängiges Tröpfchen wird und auf dem Aufzeichnungsitaterial 101, beispielsweise Papier, abgelegt wird (Figur 7(e)). Der Hohlraum, der benachbart der Öffnung 5 ausgebildet wurde, wird von hinten durch Tinte aufgefüllt, aufgrund der Oberflächenspannung der Tinte 3 und der Benetzung mit dem Element, das die Flüssigkeitspassage definiert; auf diese Weise wird der Anfangszustand (Figur 7(f)) wieder hergestellt. Das Aufzeichnungsmaterial 101 wird von der Position gegenüber dem Tinten-Ausstoßöffnung 5 mittels einer Walze, eines Bandes oder einer geeigneten Kombination dieser auf der Platte gefördert. Als Alternative kann das Aufzeichnungsmaterial 101 fixiert sein, während die Öffnung 5 (der Aufzeichnungskopf) bewegt wird; oder beide können bewegt werden und so eine Relativbewegung zwischen diesen geschaffen werden. Die Relativbewegung wird benötigt, um die Öffnung gegenüber der gewünschten Position des Aufzeichnungsmaterilas zu positionieren.
Wenn die Flüssigkeit gemäß dem oben beschriebenen Prinzip ausgestoßen wird, ist das Volumen der Flüssigkeit, die durch die Ausstoßöffnung ausgestoßen wird, zu jeder Zeit konstant, da das Bläschen mit der Umgebung in Kontakt ist. Wenn dieses Verfahren für Aufzeichnungen verwendet wird, kann eine hohe Bildqualität ohne Ungleichmäßigkeiten in der Bilddichte erzielt werden.
Da das Bläschen mit der Umgebung unter der Bedingung in Kontakt kommt, daß la/lb > oder = 1 ist, wird die kinetische Energie des Bläschens effektiv auf die Tinte übertragen, so daß der Ausstoßwirkungsgrad verbessert wird.
Weiterhin kann, wenn die Flüssigkeit unter den oben genannten Bedingungen ausgestoßen wird, die Zeit, die benötigt wird, um den Hohlraum, der benachbart zu der Ausstoßöffnung ausgebildet wurde, mit neuer Tinte auszufüllen, vermindert werden, verglichen mit der Zeit, die benötigt wird, wenn Flüssigkeit (Tinte) unter der Bedingung la/lb< 1 ausgestoßen wird, und daher wird die Aufzeichnungsgeschwindigkeit weiter erhöht.
Weiterhin wird das Verfahren zum Messen der Entfernungen la und lb beschrieben, wenn das Bläschen bei dem zweiten Ausführungsbeispiel mit der Umgebung in Kontakt kommt. Zum Beispiel im Fall des Aufzeichnungskopfes gemäß Figur 7 ist die Topplatte 4 aus einer transparenten Glasplatte beschaffen. Der Aufzeichnungskopf wird von oben mittels einer Lichtquelle ausgeleuchtet, die in der Lage ist, Licht impulsartig auszusenden wie ein Stroboscop, Laser oder LED. Der Aufzeichnungskopf wird durch ein Mikroscop beobachtet.
Genauer gesagt, wird die Impuls-Lichtquelle sychron mit den Antriebsimpulsen, die dem Heizer zugeführt werden, an und aus geschaltet und dabei wird das Verhalten von der Entstehung des Bläschens bis zum Ausstoß des Bläschens beobachtet indem ein Mikroscop oder eine Kamera verwendet wird. Dann werden die Entfernungen la und lb bestimmt.
Die Breite der Flüssigkeitspassage wird im wesentlichen durch den Aufbau des Thermischen-Energieerzeugungselements bestimmt. Es wurde jedoch herausgefunden, daß durch den Aufbau der Flüssigkeitspassage das Wachstum des Bläschens wesentlich beeinflußt wird; und daß dieser ein wirkungsvoller Faktor für die oben erwähnte Bedingung des Thermischen- Energieerzeugungselements in der Passage des zweiten Ausführungsbeispiels ist.
Durch Benutzung der Höhe der Flüssigkeitspassage kann das Wachstum des Bläschens so gesteurt werden, daß die Bedingung la/lb > oder = 1 ist, bevorzugt la/lb > oder = 2 und weiter bevorzugt la/lb > oder = 4. Es wurde herausgefunden, daß wenn die Höhe H der Flüssigkeitspassage geringer als die Breite W dieser ist (H< W), der Auzeichnungsbetrieb weniger durch die Umgebungsbedingungen und andere beeinflußt wird und daher der Betrieb stabilisiert wird. Dies liegt daran, daß der Kontakt des Bläschens mit der Umgebung auftritt, wenn das Bläschen eine erhöhte Wachstumsgeschwindigkeit in der Grenzfläche der Decke der Flüssigkeitspassage aufweist, so daß der Einfluß der inneren Wand auf den Flüssigkeitsausstoß vermindert werden kann und so die Ausstoßgeschwindigkeit und -richtung weiter stabilisiert werden kann. Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel wurde herausgefunden, daß H < oder = 0.8 W bevorzugt ist, da die Ausstoßleistungsfähigkeit sich nicht ändert und daher der Ausstoß stabilisiert wird auch wenn eine Hochgeschwindikeitsausstoßung über einen langen Zeitraum durchgeführt wird.
Weiterhin kann durch Erfüllen der Bedingung H < oder = 0,65 W eine sehr genaue Ablage-Leistungsfähigkeit erzielt werden auch wenn der Ausstoß stark geändert wird aufgrund einer starken Änderung der aufzuzeichnenden Informationen.
Es wird weiter bevorzugt, daß zusätzlich zu den genannten Bedingungen das Differential erster Ordnung der Bewegungsgeschwindigkeit des Bläschens an der Seite der Ausstoßöffnung negativ ist, wenn das Bläschen mit der Umgebung in Kontakt kommt.
Bezugnehmend auf Figur 8 wird ein Wechsel, über die Zeit, des inneren Druckes und des Volumens des Bläschen bei einem Flüssigkeitsstrahlverfahren und einem Gerät gemäß einem dritten speziellen Ausführungsbeispiel dargestellt. Das dritte Ausführungsbeispiel wird wie folgt zusammengefaßt:
(5) Ein Aufzeichnungsverfahren, das einen Aufzeichnungskopf benutzt, der eine Ausstoßöffnung zum Ausstoßen von Tinte aufweist, eine Flüssigkeitspassage, die mit der Ausstoßöffnung in Verbindung ist und ein Ausstoßenergieerzeugungselement zum Erzeugen der thermischen Energie aufgrund derer durch die Bildung eines Bläschens in der Flüssigkeitspassage Tinte ausgestoßen wird, wobei das Differential erster Ordnung der Bewegungsgeschwindigkeit des Endes des erzeugten Bläschen auf der Seite der Ausstoßöffnung negativ ist, wenn das Bläschen, das durch die Ausstoßenergieerzeugungseinrichtung erzeugt wurde, über die Ausstoßöffnung mit der Umgebung in Kontakt kommt.
(6) Ein Flüssigkeitsstrahlgerät mit einem Aufzeichnungskopf, der eine Ausstoßöffnung zum Ausstoßen von Tinte aufweist, eine Flüssigkeitspassage, die mit der Ausstoßöffnung in Verbindung ist und ein Ausstoßenergieerzeugungselement zum Erzeugen der thermischen Energie aufgrund derer durch die Bildung eines Bläschens in der Flüssigkeitspassage Tinte ausgestoßen wird, und eine Antriebsschaltung zum Zuführen eines Antriebssignales zu dem Ausstoßenergieerzeugungselement, so daß das Differential erster Ordnung der Bewegungsgeschwindigkeit des Endes des erzeugten Bläschen auf der Seite der Ausstoßöffnung negativ ist, wenn das Bläschen, das durch die Ausstoßenergieerzeugungseinrichtung erzeugt wurde, über die Ausstoßöffnung mit der Umgebung in Kontakt kommt, und mit einer Platte zum Unterstützen des Aufzeichnungsmaterials, das die ausgestoßene Tinte aufnimmt.
Das dritte Ausführungsbeispiel bietet eine Lösung für das Problem, das auch durch das erste Ausführungsbeispiel gelöst wurde, mittels eines unterschiedlichen Verfahrens. Das Hauptproblem, das der dritten Ausführungsform zugrundeliegt ist, daß Tinte, die benachbart dem Verbindungsabschnitt von Bläschen und Umgebung vorliegt, überbeschleunigt wird mit dem Ergebnis, daß die dabei vorliegende Tinte von dem Hauptteil der Tinte abgetrennt wird. Wenn diese Abtrennung auftritt, wird diese benachbarte Tinte verspritzt oder in Tintennebel zerstreut
Dabei kann zusätzlich wenn die Ausstoßöffnungen mit einer hohen Dichte angeordnet sind, aufgrund Ablagerung solcher Tinte ein unzureichender Tintenausstoß auftreten. Das dritte Ausführungsbeispiel beruht auf der Erkenntnis, daß diese Nachteile auf der Beschleunigung der Tinte beruhen.
Genauer gesagt, wurde herausgefunden, daß diese Probleme auftreten, wenn das Differential erster Ordnung der Bewegungsgeschwindigkeit des Endes des erzeugten Bläschen auf der Seite der Ausstoßöffnung positiv ist, wenn das Bläschen mit der Umgebung in Kontakt kommt.
Figur 8 ist ein Diagramm, das das Differential erster Ordnung und das Differential zeiter Ordnung (das Differential erster Ordnung der Bewegungsgeschwindigkeit) der Verlagerung des Endes des erzeugten Bläschen auf der Seite der Ausstoßöffnung von dem Enden des Heizers auf der Seite der Ausstoßöffnung zeigt bis das Bläschen in Kontakt mit der Umgebung kommt. Es wird verstanden werden, daß die oben diskutierten Probleme im Fall einer Kurve A in Figur 8 auftreten (a) und (b), wo das Differential erster der Bewegungsgeschwindigkeit des Endes des Bläschens auf der Ausstoßauslaßseite positiv ist.
Die Kurven B in Figur 8; (a) und (b) repräsentieren das dritte Ausführungsbeispiel, das das Konzept gemäß Figur 7 verwendet. Das erzeugte Bläschen tritt mit der Umgebung in Verbindung unter der Bedingung, daß das Differential erster Ordnung der Bewegungsgeschwindigkeit des Endes des Bläschens auf der Ausstoßauslaßseite negativ ist. Dadurch werden die Volumen der Flüssigkeitströpfchen stabilisiert, so daß Bilder hoher Qualität aufgezeichnet werden können ohne Tintennebel oder -spritzer und die daraus resultierende Papier- oder Geräteverunreinigung.
Weiterhin kann, da die kinetische Energie des Bläschens ausreichend auf die Tinte übertragen werden kann, die Effektivität der Ausstoßung verbessert werden, so daß Verstopfen der Düsen vermieden werden kann. Die Ausstoßgeschwindigkeit der Tröpfchen wird erhöht, so daß die Richtung der Ausstoßung stabilisiert werden kann und der benötigte Spalt zwischen dem Aufzeichnungskopf und dem Aufzeichnungspapier erhöht werden kann, so daß das Design des Gerätes einfacher wird.
Das Prinzip und der Aufbau der Erfindung sind bei Aufzeichnungssystem vom sogenannten Auf-Anforderungstyp anwendbar und auch bei Aufzeichnungssystemen vom kontinuierlichen Typ. Jedoch ist die Erfindung besonders für den Auf-Anforderungstyp geeignet, da das Prinzip so beschaffen ist, daß zumindest ein Antriebssignal an den elektrothermischen Wandler angelegt wird, der in der Flüssigkeitspassage oder einem Flüssigkeit (Tinte) zurückhaltenden Blatt vorgesehen ist, wobei das Antriebssignal stark genug ist, um einen schnellen Temperaturanstieg über den Kernsiedepunkt zu erzielen, wodurch thermische Energie durch den elektrothermischen Wandler erzeugt wird, um ein Filmsieden auf dem geheizten Abschnitt des Aufzeichnungskopfes zu erzeugen, wodurch ein Bläschen in der Flüssigkeit (Tinte) ausgebildet werden kann, entsprechend jedem der Antriebssignale. Durch das Herstellen, Entwickeln und Zusammenziehen des Bläschens wird die Flüssigkeit (Tinte) durch den Ausstoßauslaß ausgestoßen, um zumindest ein Tröpfchen auszubilden. Das Antriebssignal liegt bevorzugterweise in Form eines Impulses vor, da die Entwicklung und das Zusammenziehen des Bläschens hierdurch schnell bewirkt werden und somit die Flüssigkeit (Tinte) mit schnellem Ansprechen ausgestoßen wird.
Die vorliegende Erfindung ist wirkungsvoll bei einem Aufzeichnungskopf vom sogenannten Vollzeilentyp anwendbar, der eine Länge aufweist, die der maximalen Aufzeichnungsbreite entspricht. Solch ein Aufzeichnungskopf kann einen einzelnen Aufzeichnungskopf oder eine Vielzahl von Aufzeichnungsköpfen, die miteinander kombiniert sind, aufweisen, um die gesamte Breite abzudecken.
Weiterhin ist die vorliegende Erfindung anwendbar bei Aufzeichnungsköpfen vom seriellen Typ, wobei der Aufzeichnungskopf auf einem Hauptlager fixiert ist und chipartig austauschbar ist und elektrisch mit dem Hauptgerät verbindbar ist und im montierten Zustand in der Hauptaufnahme mit Tinte versorgt werden kann; des weiteren ist die Erfindung anwendbar beim Aufzeichnungskopf vom sogenannten Cassettentyp, der einen integralen Tintenbehälter aufweist.
Bevorzugt werden eine Wiederherstellungseinrichtung und/oder eine Hilfseinrichtung für eine vorangehende Operation vorgesehen, da diese die Wirkung der vorliegenden Erfindung weiter stabilisieren können. Als solche Einrichtung können Abdeckeinrichtungen für den Aufzeichnungskopf, Reinigungseinrichtungen für diesen, Anpreß- oder Absaugeinrichtungen sowie Vorheizeinrichtungen, die elektrothermische Wandler umfassen können oder ein zusätzliches Heizelement oder eine Kombination dieser vorgesehen sein. Auch können Einrichtungen zum Bewirken eines Vorausstoßes (nicht für den Aufzeichnungsbetrieb) den Aufzeichnungsbetrieb stabilisieren.
Unter Berücksichtigung der Variation der montierbaren Aufzeichnungsköpfe kann es ein einzelner Aufzeichnungskopf entsprechend der Tinte einer einzelnen Farbe sein oder eine Vielzahl entsprechend der Vielzahl von Tintenmaterialien, die unterschiedliche Aufzeichnungsfarben oder -dichten haben. Die vorliegende Erfindung ist wirkungsvoll anwendbar bei einem Gerät, daß zumindest einen monochromatischen Betriebsmodus, hauptsächlich mit schwarz, einen Multicolor-Mode mit verschiedenfarbligen Tintenmaterialien und/oder einen Fullcolor-Mode umfaßt, der eine Mischung der verschiedenen Farben benutzt, wobei dies durch eine einstückig ausgebildete Aufzeichnungseinheit oder eine Kombination einer Vielzahl von Aufzeichnungsköpfen erreicht werden kann. Wie oben beschrieben, wird entsprechend der vorliegenden Erfindung die dimensionslose Zahl Z nicht geringer als 0,5 und nicht größer als 16 gewählt, wodurch der thermische Wirkungsgrad nicht geringer als 50 % des maximalen Wirkungsgrades beträgt und daher die Flüssigkeit mit geringer Eingangsenergie ausgestoßen werden kann.

Claims

1. Ein Flüssigkeitsstrahlverfahren zum Ausstoßen von Flüssigkeit unter Benutzung eines Bläschens, das durch Heizen der Flüssigkeit in einem Durchgang erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine dimensionslose Zahl Z, die durch die Beschaffenheit der Flüssigkeit, des Hitzeflusses (heat flux) und der Ausbildung des Durchganges bestimmt ist und die spezifisch für einen Aufzeichnungskopf ist, nicht geringer als 0,5 und nicht größer als 16 ist,

wobei Z = (π/6)1/2Tgk (Pg/q&sub0;)3/2/(PgLg a SHA)1/2;

wobei

Tg die Superheizgrenztemperatur eines Hauptbestandteils der Flüssigkeit ist;

Pg der Druck gesättigten Dampfes des Hauptbestandteils der Flüssigkeit bei der Temperatur Tg ist;

Pg die Dichte des gesättigten Dampfes des Hauptbestandteils der Flüssigkeit bei Temperatur Tg ist;

Lg ein latentes Bild der Verdampfung des Hauptbestandteils der Flüssigkeit bei der Temperatur Tg ist;

k die Hitzeleitfähigkeit des Hauptbestandteils der Flüssigkeit bei der Temperatur des Aufzeichnungskopfes vor dem Aufheizen ist;

a das thermische Diffusionsvermögen des Hauptbestandteils der Flüssigkeit bei einer Temperatur des Aufzeichnungskopfes vor dem Aufheizen ist;

q&sub0; der Hitzefluß (heat flux) ist, der die Flüssigkeit aufheizt;

SH die Fläche des Teiles (Heizoberfläche) des Hitzeerzeugungselements ist, das die Flüssigkeit heizt;

A die Trägheit des Durchgangs unter den Bedingungen ist, daß die Heizoberfläche eine Druckquelle ist und daß die Flüssigkeitszufuhröffnung und die Flüssigkeitsausstoßöffnung offene Grenzen sind und daß die Wand, die den Durchgang definiert, eine Wand (feste) Grenze ist;

π die Zahl π ist.

2. Ein Aufzeichnungskopf mit einem Ausstoßauslaß, durch den zumindest ein Teil der Tinte mittels eines Bläschens ausstoßbar ist, das durch Heizen der Tinte mittels einer Ausstoßenergieerzeugungseinrichtung erzeugt wird, einer Antriebsschaltung zum Antrieb der Ausstoßenergieerzeugungseinrichtung, so daß eine dimensionslose Zahl Z, die durch die Beschaffenheit der Flüssigkeit, des Hitzeflusses (heat flux) und der Beschaffenheit des Durchganges bestimmt ist und die spezifisch für einen Aufzeichnungskopf ist, nicht geringer als 0,5 und nicht größer als 16 ist;

wobei Z = (π/6)1/2Tgk (Pg/q&sub0;)3/2/(PgLg a SHA)1/2;

wobei

Tg die Superheizgrenztemperatur eines Hauptbestandteils der Flüssigkeit ist;

k die Hitzeleitfähigkeit des Hauptbestandteils dem Flüssigkeit bei der Temperatur des Aufzeichnungskopfes vor dem Aufheizen ist;

q&sub0; der Hitzefluß (heat flux) ist, der die Flüssigkeit aufheizt;

π die Zahl π ist.

3. Ein Aufzeichnungskopf gemäß Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Durchgängen.

4. Ein Aufzeichnungskopf nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Zuführen elektrischer Signale, die ein Filmsieden erzeugen, um ein Bläschen auszubilden.

5. Ein Aufzeichnungsgerät mit einem Aufzeichnungskopf gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4.