DE69724875T2

DE69724875T2 - Tintenstrahlaufzeichnungskopf und Tintenstrahlaufzeichnungsapparat

Info

Publication number: DE69724875T2
Application number: DE69724875T
Authority: DE
Inventors: Ishinaga Hiroyuki; Ikeda Masami; Kaneko Hajime; Saikawa Hideo; Koitabashi Noribumi; Miyagawa Masashi; Kawai Jun; Imanaka Yoshiyuki; Ken Hosaka; Teruo Ozaki; Masaaki Sanjo Okada; Masahiko Kubota; Ryoji Inoue
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1996-06-26
Filing date: 1997-06-25
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2017-06-26
Also published as: EP0816089A2; DE69724875D1; US6062678A; EP0816089A3; EP0816089B1

Description

Diese Erfindung betrifft einen Tintenstrahlaufzeichnungskopf, bei welchem mehrere thermoelektrische Wandler in einem Strömungskanal (einer Düse) angeordnet sind, und ein mit einem solchen Kopf bestücktes Tintenstrahlaufzeichnungsgerät.
Stand der Technik
Tintenstrahlaufzeichnungsgeräte werden am meisten in Form von Druckern, Faxgeräten, Textautomationen, Kopierern und ähnlichen Geräten verwendet. Besonders Tintenstrahlaufzeichnungsgeräte, bei welchen Wärmeenergie zur Erzeugung von Bläschen und damit zum Ausstoßen von Tinte verwendet wird, kommen weltweit zum Einsatz.
Es stehen auch andere Tintenstrahlgeräte dieses Systems zur Verfügung, mit denen auf Textilien Muster, Designs oder zusammengesetzte Bilder gedruckt werden können. Auch bei diesen Geräten werden Tintenstrahlaufzeichnungsköpfe verwendet, welche mit thermoelektrischen Wandlern (nachfolgend „Heizelemente" genannt) zur Erzeugung von Wärmeenergie bestückt sind, wobei in vielen Fällen für jede Ausstoßöffnung ein Heizelement vorgesehen ist. Es besteht auch die Möglichkeit der Verwendung mehrerer Köpfe für eine einzige Ausstoßöffnung.
An erster Stelle steht dabei ein Kopf, welcher mehrere alternativ oder nacheinander angesteuerte Heizelemente aufweist, da bei diesem eine lange Lebensdauer erwartet werden kann. An zweiter Stelle steht ein mit zahlreichen Heizele menten bestückter Kopf, bei welchem durch Auswahl einer entsprechenden Anzahl an Heizelementen die Tintenausstoßmenge über einen größeren Bereich verändert werden kann.
Bei dem letztgenannten spezifischeren Kopf sind die zahlreichen Heizelemente in einem mit der Ausstoßöffnung verbundenen Tintenströmungskanal in Tintenausstoßrichtung angeordnet, wobei durch entsprechende Auswahl oder Anzahl der anzusteuernden Heizelemente der Abstand zwischen diesen und der Ausstoßöffnung verändert wird, um die Ausstoßmenge zu ändern. Auch ein solcher Kopf entspricht dem Stand der Technik.
In den Dokumenten JP-A-55-132259 und EP-A-0707964 ist ein Kopf offenbart, bei welchem in einem Tintenströmungskanal zahlreiche Heizelemente unterschiedlicher Heizfläche angeordnet sind, wobei auch bei diesem die Art oder Anzahl der Heizelemente entsprechend ausgewählt wird, um die Ausstoßmenge zu ändern.
Der im Dokument EP-A-0707964 offenbarte Tintenstrahlaufzeichnungskopf weist zahlreiche mit je einer Ausstoßöffnung verbundene und mit zahlreichen thermoelektrischen Wandlern bestückte Tintenströmungskanäle auf. Bei diesem Tintenstrahlaufzeichnungskopf sind die zur Ausstoßöffnung gerichteten Enden der thermoelektrischen Wandler in einer Linie angeordnet. Die in jedem Tintenströmungskanal vorhandenen thermoelektrischen Wandler selbst sind so angeordnet, daß das Flächenverhältnis von zwei Wandlern kleiner ist als das Verhältnis der von diesen beiden Wandlern ausgestoßenen Tintenmenge, um die Menge der auszustoßenden Tinte stabil zu halten und bei hoher Energieeffizienz einen starken Gradationseffekt zu erzielen. Bei dem im Dokument EP-A-0707946 werden jedoch keine Angaben zum Abstand zwischen der Ausstoß öffnung und den auf diese gerichteten Enden der zahlreichen thermoelektrischen Wandler gemacht.
Bei dieser Art Tintenstrahlaufzeichnungsapparate gibt es aber Probleme hinsichtlich Änderung der Ausstoßmenge.
Ein Problem besteht darin, daß zum Ausstoßen kleiner Tintentröpfchen ein Heizelement mit geringer Ausstoßleistung, d. h. kleiner Heizfläche verwendet wird, um Bläschenbildung in der Tinte auszulösen, wodurch aber eine geringe Ausstoßgeschwindigkeit zu verzeichnen ist. Das ist besonders beim Vorausstoßen zur Durchführung des Regenerierens nachteilig.
Das Vorausstoßen wird normalerweise dann durchgeführt, wenn die in den nicht benutzten Düsen des Tintenstrahlaufzeichnungskopfes eingedickte Tinte entfernt werden muß, um effektives Ausstoßen ständig zu gewährleisten. Das Vorausstoßen erfolgt unmittelbar nach dem Zuschalten des Gerätes oder in bestimmten Zeitintervallen während des Aufzeichnens.
Wenn aber zum Ändern der Tintenausstoßmenge die Anzahl an anzusteuernden Heizelementen verändert wird, muß beim Aufzeichnen mit geringen Tintenmengen das Vorausstoßen in kurzen Zeitintervallen erfolgen.
Genauer ausgedrückt, kleine Tintentröpfchen haben eine geringe Energie, so daß die durch Verdampfen von Wasser an der Ausstoßöffnung eingedickte Tinte nicht stabil ausgestoßen werden kann. Das ist der Grund für die häufige Durchführung des Vorausstoßens. Das Vorausstoßens in kurzen Zeitintervallen führt aber zu einer Verringerung der Aufzeichnungsleistung.
Andererseits kann das Ausstoßen von Tintentröpfchen bei niedriger Ausstoßgeschwindigkeit eine Veränderung der Ausstoßrichtung bewirken und somit zu einer Verschlechterung der Bildqualität führen.
Da die Ausstoßgeschwindigkeit im wesentlichen proportional der Ausstoßmenge ist, kommt es bei Veränderung der Ausstoßmenge zu großen Unterschieden in der Ausstoßgeschwindigkeit. Wenn mit einem solchen Tintenstrahlaufzeichnungskopf Bilder aufgezeichnet werden, treffen aufgrund der unterschiedlichen Ausstoßgeschwindigkeiten bei kleinen und großen Tintentröpfchen diese an unterschiedlichen Stellen auf das Aufzeichnungsmedium, so daß fehlerhafte Bilder entstehen können.
Bei herkömmlichen Tintenstrahlaufzeichnungsköpfen treten neben den genannten Problemen noch weitere Probleme auf.
Wenn mit kleinen Ausstoßmengen Bilder erzeugt werden, ergibt sich eine höhere Auflösung und dadurch eine größere Menge an Bilddaten, so daß die Anzahl an Aufzeichnungspunkten steigt. Um die Aufzeichnungsgeschwindigkeit beizubehalten oder zu erhöhen, muß Tinte zwangsläufig bei größerer Wiederholungsfrequenz ausgestoßen werden. Das ist bei einigen Tintenarten aber nur schwer zu realisieren.
Von Bedeutung ist auch, daß das Ausstoßen großer Mengen Tinte bei hoher Wiederholungsfrequenz erfolgt. Das ist deshalb erforderlich, weil in dem Fall, daß das Aufzeichnen mit der herkömmlichen Ausstoßmenge bei niedriger Geschwindigkeit erfolgt, obwohl bei kleinen Ausstoßmengen das Aufzeichnen bei hoher Geschwindigkeit durchgeführt werden kann, das Aufzeichnungsgerät nicht die volle Leistung bringt.
Aus verschiedenen Gründen ist auch wichtig, daß die Tintenstrahlaufzeichnungsköpfe Gemeinsamkeiten mit bisher verwendeten Köpfen haben, da Köpfe, welche eine konstante Tintenmenge ausstoßen, als Austauschköpfe verwendet werden. Wenn die Funktion des Aufzeichnungsgerätes verbessert werden soll, muß die Möglichkeit bestehen, aus ein und demselben Kopf sowohl kleine als auch große Mengen auszustoßen, ohne zwei herkömmliche Köpfe, von denen der eine große, der andere eine kleine Tintenmenge ausstößt, parallel anzuordnen, welche zwangsläufig eine Vergrößerung des Gerätes und eine Kostenerhöhung verursachen würden.
ZUSAMMENFASSUNG DER EFINDUNG
Mit der vorliegenden Erfindung sollen die bei der herkömmlichen Aufzeichnungstechnologie auftretenden Probleme beseitigt werden. Demzufolge ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Bereitstellung eines Tintenstrahlaufzeichnungskopfes, bei welchem mehrere Heizelemente für eine einzige Ausstoßöffnung vorgesehen sind, woraus die Vorteile sich ergeben, daß der Kopf eine lange Lebensdauer hat, eine Änderung der Ausstoßmenge und Hochgeschwindigkeitsaufzeichnen qualitativ hochwertiger Bilder ermöglicht und auch in einem herkömmlichen Aufzeichnungsapparat verwendet werden kann.
Weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung sind aus den später beschriebenen Ausführungsformen zu erkennen.
Die genannte Aufgabe erfüllt der im Anspruch 1 definierte Tintenstrahlaufzeichnungskopf. Vorteilhafte Weiterentwicklungen dieses Kopfes sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Die Tintenmenge Vd auszustoßender Tröpfchen erreicht bei einem bestimmten Abstand OH zwischen der Ausstoßöffnung und dem auf diese gerichteten Ende des thermoelektrischen Wandlers ein Maximum und nimmt mit zunehmendem Abstand ab. Mit abnehmendem Abstand OH steigt die Ausstoßgeschwindigkeit v, während die Auffüllfrequenz fr sich verringert.
Die vorliegende Erfindung basiert auf dieser Charakteristik, wobei die thermoelektrischen Wandler entsprechend der Definition im Anspruch 1, bevorzugt aber entsprechend der Definition in den abhängigen Ansprüchen angeordnet sind, damit die Ausstoßmenge, die Ausstoßgeschwindigkeit und die Auffüllfrequenz den Erfordernissen genügen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A zeigt schematisch die Draufsicht des Düsenabschnitts eines Tintenstrahlaufzeichnungskopfes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und 1B schematisch die Draufsicht des Düsenabschnitts eines herkömmlichen Tintenstrahlaufzeichnungskopfes als Vergleichsbeispiel.
Die 2A, 2B und 2C zeigen in Diagrammform die Ausstoßmenge Vd, die Ausstoßgeschwindigkeit v bzw. die Auffüllfrequenz fr von Tintentröpfchen in Abhängigkeit vom Abstand OH zwischen der Ausstoßöffnung und dem hinteren Ende des Heizelements.
3 zeigt in Diagrammform die Ausstoßmenge Vd, die Ausstoßgeschwindigkeit v von Tintentröpfchen und das Produkt aus der Ausstoßöffnungsfläche SO und dem Abstand OH zwischen der Ausstoßöffnung und dem hinteren Ende des Heizelements (SO × OH) in Abhängigkeit vom Abstand OH.
4 zeigt in Diagrammform den Quotienten aus der Ausstoßgeschwindigkeit v und der Ausstoßmenge Vd (v/Vd) als Funktion des Abstandes OH.
5 zeigt die Vertikalschnittansicht des Tintenströmungskanals im Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 zeigt das Ausstoßprinzip bei der in 5 dargestellten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7 zeigt in Diagrammform die Beziehung zwischen dem Volumen Vd ausgestoßener Tintentröpfchen und dem Abstand OH des Ausstoßheizelements zur Ausstoßöffnung zur Illustration der vorher dargestellten Ausführungsform.
8 zeigt in Diagrammform die Veränderung der Kurven a und b mit zunehmender Heizelementfläche SH.
Die 9A, 9B, 9C und 9D zeigen die Schnittansicht des Tintenströmungskanals und das Auffüllverhalten beim Ausstoßen gemäß der genannten Ausführungsform gegenüber dem Auffüllverhalten gemäß dem Stand der Technik.
10 zeigt in Diagrammform die Änderung des Proportionalitätsfaktors SO' als Funktion der Heizelementbreite.
Die 11A, 11B und 11C zeigen in Diagrammform die Beziehung zwischen der Ausstoßmenge Vd, der Ausstoßgeschwindigkeit v bzw. der Auffüllfrequenz fr und dem Abstand OP zwischen dem Schwerpunkt von zwei Heizelementen und der Ausstoßöffnung.
12 zeigt die Düsenform und die Dimensionen der Heizelemente im Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die 13A, 13B und 13C zeigen die Ausstoßgeschwindigkeit v, die Ausstoßmenge Vd, bzw. den Quotienten aus Ausstoßgeschwindigkeit und Ausstoßmenge (v/Vd) als Funktion des Abstandes OH, welcher beim hinteren Heizelement konstant gehalten und beim vorderen Heizelement geändert wurde, für die Fälle, bei denen nur das vordere Heizelement bzw. das vordere und das hintere Heizelement gleichzeitig verwendet werden, während 13D die positionelle Abweichung bei diesen Fällen zeigt.
Die 14A, 14B und 14C zeigen die Ausstoßgeschwindigkeit v, die Ausstoßmenge Vd bzw. den Quotienten aus Ausstoßgeschwindigkeit und Ausstoßmenge (v/Vd) als Funktion des Abstandes OH, welcher beim hinteren Heizelement konstant gehalten und beim vorderen Heizelement geändert wurde, für die Fälle, bei denen nur das vordere Heizelement bzw. das vordere und das hintere Heizelement gleichzeitig verwendet werden, während 14D die positionelle Abweichung bei diesen Fällen zeigt.
Die 15A und 15B zeigen die Draufsicht von Düsen 1001 und 1005 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche im wesentlichen die gleichen Tintentröpfchen ausstoßen.
16 zeigt ein Beispiel der Tintenstrahlkopfkartusche gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die 17A, 17B, 17C und 17D zeigen eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
18 zeigt perspektivisch und teilweise in Explosivdarstellung ein Beispiel einer Tintenstrahlkopfkartusche.
19 zeigt schematisch in perspektivischer Darstellung die Tintenstrahlkopfkartusche gemäß 18.
20 zeigt schematisch ein Tintenstrahlaufzeichnungsgerät IJRA.
21 zeigt im Blockschaltbild den Aufbau des gesamten Gerätes.
22 zeigt schematisch die Konstruktion eines Tintenstrahlaufzeichnungssystems.
23 zeigt die Schnittansicht des Substrats eines Tintenstrahlaufzeichnungskopfes gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, speziell den Abschnitt, in welchem das vordere Heizelement angeordnet ist.
24 zeigt die Schnittansicht des Substrats des Tintenstrahlaufzeichnungskopfes gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, speziell den Abschnitt, in welchem das hintere Heizelement angeordnet ist.
25 zeigt die Schnittansicht des Substrats des Tintenstrahlaufzeichnungskopfes gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, speziell den Abschnitt, in welchem das vordere Heizelement in modifizierter Form angeordnet ist.
26 zeigt die Schnittansicht des Substrats des Tintenstrahlaufzeichnungskopfes gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, speziell den Abschnitt, in wel chem das hintere Heizelement in modifizierter Form angeordnet ist.
27 zeigt die Fläche, Anordnung und weitere Details der im Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendeten Heizelemente.
28 zeigt in Diagrammform die Beziehung zwischen dem Ausstoßmengenverhältnis und dem Flächenverhältnis mehrerer in einem einzigen Tintenströmungskanal angeordneter Heizelemente.
Die 29A und 29B zeigen den Aufbau eines Heizelements.
30 zeigt den effektiven Bläschenerzeugungsbereich des Heizelements und den Bereich auf diesem, welcher keine Bläschen erzeugt.
Die 31A, 31B, 31C und 31D zeigen das Ansteuern des Tintenstrahlaufzeichnungskopfes gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
32 zeigt in perspektivischer Darstellung teilweise als Schnittansicht den Aufbau des Tintenstrahlaufzeichnungskopfes gemäß der fünften Ausführungsform, speziell die Anordnung der Tintenströmungskanäle der in 27 dargestellten Konfiguration.
33 zeigt in perspektivischer Darstellung ein weiteres Beispiel des Aufbaus eines Tintenstrahlaufzeichnungskopfes, auf welchen die vorliegende Erfindung übertragen wurde.
34 zeigt die Fläche, Anordnung und weitere Details der in einem Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendeten Ausstoßheizelementes in einer ersten Modifikation.
35 zeigt die Fläche, Anordnung und weitere Details der in einem Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendeten Ausstoßheizelementes in einer zweiten Modifikation.
36 zeigt die Fläche, Anordnung und weitere Details der in einem Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendeten Ausstoßheizelementes in einer dritten Modifikation.
37 zeigt eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend werden in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Zuerst wird auf eine erste Ausführungsform näher eingegangen.
- Kopfaufbau -
1A zeigt schematisch die Draufsicht des Düsenabschnitts eines Tintenstrahlaufzeichnungskopfes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und 1B schematisch die Draufsicht des Düsenabschnitts eines herkömmlichen Tintenstrahlaufzeichnungskopfes als Vergleichsbeispiel.
1A zeigt die Konstruktion des Düsenabschnitts eines sogenannten Winkelausstoßkopfes, bei welchem die Flüssigkeit im wesentlichen rechtwinklig zu der mit dem Heizelement versehenen Fläche ausgestoßen wird. Die Düsen (101) sind in einer Dichte von 14/mm (360 dpi) angeordnet. In jeder Düse 101 sind ein Heizelement 102 und ein Heizelement 103, welche die gleiche Breite und die gleiche Länge haben, in unterschiedlichem Abstand zur Ausstoßöffnung 104 nebeneinander angeordnet. Bei dem in 1B dargestellten Vergleichsbeispiel sind Düsen (105) in der gleichen Dichte wie bei der in 1A dargestellten Ausführungsform angeordnet, wobei jede dieser Düsen 105 aber nur mit einem einzigen Heizelement 106 bestückt ist.
In der folgenden Beschreibung ist für die in 1A dargestellte Ausführungsform der Abstand zwischen der Ausstoßöffnung 104 und den Heizelementen 102 und 103 mit dem Bezugszeichen OH1 bzw. OH2 und der Abstand zwischen der Ausstoßöffnung 104 und dem Schwerpunkt (der Mitte) der Heizelemente 102 und 103 mit dem Bezugszeichen OP1 bzw. OP2 gekennzeichnet, wobei für den Fall, daß die beiden Heizelemente 102 und 103 als ein Heizelement angesehen werden, die Schwerpunktbeziehung OP = (OP1 + OP2)/2 gilt. Bei dem in 1B dargestellten Vergleichsbeispiel ist der Abstand zwischen der Ausstoßöffnung 107 und dem Heizelement 106 mit dem Bezugszeichen OH und der Abstand zwischen der Ausstoßöffnung 107 und dem Schwerpunkt des Heizelements 106 mit dem Bezugszeichen OC gekennzeichnet.
Die beiden Heizelemente können unabhängig voneinander angesteuert werden, wobei die Tintenausstoßmenge kleiner Tröpfchen etwa 20 pl bei jedem Heizelement beträgt. Wenn die beiden Heizelemente gleichzeitig angesteuert werden, ist die Tintenausstoßmenge großer Tröpfchen doppelt so groß und beträgt etwa 40 pl, worauf später näher eingegangen wird.
Nachfolgend wird in Verbindung mit den 2A bis 2C die Ausstoßcharakteristik des Tintenstrahlausstoßkopfes dieser Ausführungsform beschrieben. Die 2A bis 2C zeigen in Diagrammform die Ausstoßmenge Vd, die Ausstoßgeschwindigkeit v bzw. die Auffüllfrequenz fr von Tintentröpfchen bei unterschiedlichen Abständen OH zwischen der Ausstoßöffnung und den Heizelementen.
Wie aus der in 1A dargestellten Beziehung zwischen der Ausstoßmenge Vd und dem Abstand OH zu erkennen ist, erreicht die Ausstoßmenge Vd bei dem durch die Punkt-Ketten-Linie gekennzeichneten Abstand den Maximalwert und nimmt von diesem nach beiden Seiten hin ab.
Wie aus 1B zu erkennen ist, steigt die Ausstoßgeschwindigkeit v mit der Verringerung des Abstandes OH.
Dagegen sinkt gemäß der in 1C dargestellten Beziehung die Auffüllfrequenz fr mit der Verringerung des Abstandes OH.
In den 2B und 2C sind die Ausstoßgeschwindigkeit v bzw. die Auffüllfrequenz fr für zwei unterschiedliche Heizelementflächen dargestellt, wobei beide Parameter sich in Übereinstimmung mit den Dimensionen der Heizelementfläche SH verschieben.
3 zeigt in Diagrammform die Ausstoßmenge Vd sowie die Ausstoßgeschwindigkeit v von Tintentröpfchen und das Produkt aus Ausstoßöffnungsfläche SO und dem Abstand OH zwischen der Ausstoßöffnung und dem Ende des Heizelements (SO × OH) als Funktion des Abstandes OH. 4 zeigt in Diagrammform die Beziehung zwischen dem Quotienten aus Ausstoßgeschwindigkeit und Ausstoßmenge (v/Vd) und dem Abstand OH. In den 3 und 4 sind die Punkte a und b von dem bestimmten Abstand OH aus gesehen aufgetragen, so daß diese den Abstand OH in drei Bereiche untergliedern, in den Bereich A länger als a, in den Bereich B kürzer als b und den Bereich C, welcher sich zwischen a und b erstreckt.
Wie aus den 3 und 4 zu erkennen ist, verlaufen im Bereich A die Ausstoßgeschwindigkeit v und die Ausstoßmenge Vd im wesentlichen proportional zur Vergrößerung des Abstande OH, so daß der Wert v/Vd im wesentlichen konstant bleibt. Die Ausstoßmenge Vd verläuft im Bereich B im wesentlichen proportional zum Produkt aus Ausstoßfläche SH und Abstand OH und bleibt im Bereich C im wesentlichen konstant.
Bezüglich der Ausstoßmenge Vd und der Ausstoßgeschwindigkeit v können die Bereiche A bis C wie folgt definiert werden:
Im Bereich A verringert die Ausstoßmenge Vd sich mit zunehmendem Abstand OH.
Im Bereich B vergrößert die Ausstoßmenge Vd sich im wesentlichen proportional zum Abstand OH.
Im Bereich C bleibt die Ausstoßmenge Vd im wesentlichen konstant.
In den drei Bereichen sinkt die Ausstoßgeschwindigkeit mit zunehmendem Abstand OH, doch im Bereich C verändert diese sich nur leicht.
Nachfolgend wird in Verbindung mit den 2A bis 2C, 3 und 4 beschrieben, auf welcher Grundlage die Ausstoßcharakteristik und die Auffüllfrequenz sich ergeben, wobei einige Aussagen auf Annahmen beruhen.
Wenn das Heizelement als fixiertes Element angenommen wird, sind die Ausstoßgeschwindigkeit v und die Ausstoßmenge Vd der Tintentröpfchen vom Widerstand der Düse im Bereich zwischen dem Ende des Heizelements und der Ausstoßöffnung und dem Bereich vor dem Heizelement stark abhängig, wobei die Ausstoßmenge Vd das Produkt aus der Ausstoßöffnungsfläche SO und dem Abstand OH zwischen dem Ende des Heizelements und der Ausstoßöffnung nicht wesentlich überschreitet.
Für den Bereich A (zweiter Bereich) in 3 gilt die Beziehung SO' × OH < Vd (SO' ist ein Proportionalitätsfaktor). Das heißt, in diesem Bereich werden die Ausstoßgeschwindigkeit v und die Ausstoßmenge Vd aus dem Widerstandgleichgewicht wischen dem hinteren (Flüssigkeitskammerseite) und dem vorderen (Ausstoßöffnungsseite) Abschnitt der Düse bestimmt. Wenn der Widerstand (Strömungswiderstand) der Düse vor und hinter dem Heizelement mit F bzw. R bezeichnet wird, ist ein Bereich vorhanden, in welchem die Ausstoßgeschwindigkeit v und die Ausstoßmenge Vd im wesentlichen proportional dem Verhältnis R/(F + R) sind. Demzufolge steigt der Strömungswiderstand vor dem Heizelement mit zunehmendem Abstand OH, verringert sich aber mit zunehmendem Abstand OH hinter dem Heizelement, wodurch die in Ausstoßrichtung wirkende Kraft schwächer wird und somit die Geschwindigkeit und Menge der zur Ausstoßöffnung strömenden Tinte geringer werden. Auf dieses Problem wird nachfolgend näher eingegangen.
5 zeigt die Schnittansicht des Tintenströmungskanals eines herkömmlichen Tintenstrahlaufzeichnungskopfes.
Auf der Heizelementleiterplatte 403 wird die mit einer Nut versehene Deckplatte 413 befestigt, um den Tintenströmungskanal 401 zu erzeugen. Der mit der gemeinsamen Flüssigkeitskammer 407 verbundene Tintenströmungskanal 401 wird von dieser mit Tinte 406 versorgt. In der Heizelementleiterplatte 403 ist das Heizelement 404 angeordnet, welches die zur Bildung von Bläschen in der Tinte durch Verdampfung und somit zum Ausstoßen von Tinte erforderliche Wärmeenergie erzeugt. Im Ruhezustand wird durch das Gleichgewicht zwischen dem im Tintenbehälter (nicht dargestellt) herrschenden Unterdruck und der im Tintenströmungskanal 401 wirkenden Kapillarkraft (Strömungswiderstand) in der Nähe der Öffnung 405 von der Tinte 406 ein Meniskus gebildet. Sobald das Heizelement 404 mit Elektroenergie versorgt wird, entstehen Bläschen, deren Volumenänderung eine Kraft erzeugt, welche das Ausstoßen der im Tintenkanal 401 vor dem Heizelement 404 vorhandenen Tinte in Form von Tröpfchen bewirkt. Die im Tintenströmungskanal 401 vor dem Heizelement 404 verbliebene Tinte strömt zurück auf dieses, so daß der Meniskus zurückweicht.
Wenn, wie bereits beschrieben, der Strömungswiderstand des Tintenströmungskanals von der Mitte des Heizelements 404 aus bis zur Öffnung 405 mit F bezeichnet wird (5), kann dieser durch die Gleichung F = (Abstand zwischen der Heizelementmitte und der Öffnung)/(Querschnittsfläche des Tintenströmungskanals) ausgedrückt werden. Wenn, wie bereits beschrieben, der Strömungswiderstand des Tintenströmungskanals von der Mitte des Heizelements 404 aus bis zur gemeinsamen Flüssigkeitskammer 407 mit R bezeichnet wird, kann dieser durch die Gleichung R = (Abstand zwischen der Heizelementmitte und der Flüssigkeitskammer)/(Querschnittsfläche des Tintenströmungskanals) ausgedrückt werden. Der Abstand zwischen der Mitte des Heizelements 404 und der Öffnung 405 wird durch f, der Abstand zwischen der Mitte des Heizele ments 404 und der gemeinsamen Flüssigkeitskammer 407 durch r ausgedrückt.
Wenn vom Heizelement 404 die Tinte 406 erwärmt und dadurch ein Bläschen 408 erzeugt wird, kommt es zum Ausstoßen eines Tintentröpfchens 409 aus der Öffnung 405, wie in 6 dargestellt. Wenn das Maximalvolumen des Bläschens 408 mit Vb bezeichnet wird, kann das Volumen Vd (Ausstoßmenge) des Tintentröpfchens 409 im wesentlichen durch die Gleichung Vd = [R/(F + R)]·Vb (1)ausgedrückt werden, worin Vb proportional SH (Heizelementgröße) ist.
Aus Gleichung (1) ist ersichtlich, daß mit steigendem Strömungswiderstand F, d. h. mit länger werdendem Abstand OH ( 5) zwischen dem vorderen Ende des Heizelements 404 und der Öffnung 405, das Ausstoßvolumen Vd (die Ausstoßmenge) kleiner wird. Diese Tendenz widerspiegelt die in 7 dargestellte Kurve a.
Im Bereich B (erster Bereich) gilt Vd = SO' × OH. Mit kleiner werdendem Abstand OH wird der Strömungswiderstand vor dem Heizelement geringer, so daß die Ausstoßgeschwindigkeit v steigt. Es wird aber angenommen, daß das auf dem Heizelement erzeugte Bläschen für die Tintenströmung in der Düse in Richtung Ausstoßöffnung ein Hindernis darstellt und diese beeinträchtigt, wodurch die Ausstoßmenge Vd, abnimmt, jedoch nicht proportional der Ausstoßgeschwindigkeit v. Es wird also angenommen, daß eine Unterbrechung der Tintenzufuhr stattfindet, obwohl aus der zugeführten Energie eine viel größere Ausstoßmenge Vd zu erwarten wäre. Genauer ausgedrückt, es wird eine Ausstoßgrenzmenge Vdlim angenommen, welche sich aus dem Ausstoßöffnungsquerschnitt SO und dem Abstand OH zwischen dem Ende des Heizelements und der Ausstoßöffnung ergibt. Diese Beziehung wird durch die Gleichung Vdlim = SO × OH (2)ausgedrückt.
Aus dieser Gleichung (2) ergibt sich die in 7 dargestellte Kurve b.
8 zeigt in Diagrammform die allgemeine Beziehung zwischen der Ausstoßmenge Vd und dem Abstand OH und die Änderung des Verlaufs der Kurven a und b bei Veränderung der Heizelementfläche SH.
Der Schnittpunkt beider Kurven a und b wird in 7 durch L repräsentiert, wobei in dem Fall, daß OH = L als Grenzwert vorgegeben wird, im Bereich B die Relation Vd > Vdlim und im Bereich A die Relation Vd < Vdlim gilt. Nachfolgend wird in Verbindung mit den 9A bis 9D die Auffüllwirkung, d. h. der Verlauf Bläschenerzeugung → Bläschenzusammenfall → Meniskusbildung beschrieben.
Das Bläschen 408 wird durch Ansteuern des Heizelements 404 zum Zeitpunkt t1 erzeugt (9A) und erreicht zum Zeitpunkt t2 den in 9B dargestellten Zustand.
Wie 9C zeigt, verschwindet zum Zeitpunkt t3 das Bläschen 408 (Bläschenzusammenfall).
Zur Erläuterung des Prinzips des Bläschenzusammenfalls wird 9C herangezogen.
Wenn das Maximalvolumen des Bläschens 408 mit Vb, der Strömungswiderstand des zur Ausstoßöffnung gerichteten Teils des Bläschen mit F' (Abstand f' zwischen dem Bläschen und der Öffnung)/Querschnittsfläche des Tintenströmungskanals) und der Strömungswiderstand des zur gemeinsamen Flüssigkeitskammer gerichteten Teils des Bläschens mit R' (Abstand r' zwischen dem Bläschen und der Flüssigkeitskammer/Querschnittsfläche des Tintenströmungskanals) bezeichnet wird, genügt das Rückziehvolumen (Hohlvolumen) VMe des Meniskus 411 der Gleichung VMe = (R'/F' + R')·Vb = (R'/F' + R')·(F + R/R)·Vd.
Zum Zeitpunkt des Bläschenzusammenfalls strömt von der Ausstoßöffnung 405 und von der Flüssigkeitskammer 407 Tinte nach, um den Hohlraum zu füllen. Wenn der Strömungswiderstand F' in Richtung Ausstoßöffnung 405 wie im Bereich A (d. h. bei relativ großem Abstand OH) groß ist, strömt aus der Flüssigkeitskammer 407 eine relativ große Tintenmenge nach. Dadurch wird die Bläschenzusammenfallposition 410 nicht nach hinten verschoben, so daß das Rückziehvolumen (der Hohlraum) VMe klein bleiben kann. Das wirkt sich vorteilhaft auf das Auffüllen aus.
Bei kleinem F' wie im Bereich B (d. h. bei geringem Abstand OH), strömt von der Meniskusseite her eine relativ große Tintenmenge nach, so daß die Bläschenzusammenfallposition 410 sich nach hinten verschiebt und das Meniskusrückziehvolumen groß wird. Das hat aber eine längere Auffüllzeit zur Folge.
Wie bereits beschrieben, ist im Bereich A das Meniskusrückziehvolumen klein und dadurch eine hohe Auffüllfrequenz fr zu verzeichnen. Dagegen ist im Bereich B das Meniskusrück ziehvolumen groß und dadurch eine niedrige Auffüllfrequenz fr zu verzeichnen.
Deshalb wurde bei angenommenem variablem Abstand OH der Tintenströmungskanal bisher in die Bereiche A und B unterteilt, wobei der Abstand OH, bei welchem die Ausstoßmenge Vd den Maximalwert erreicht, die Grenze zwischen den beiden Bereichen bildet. Aus Versuchen mit einem Kopf dieser Ausführungsform wurde bei sorgfältiger Beobachtung des Bereiches um den Maximalwert ermittelt, daß die Ausstoßmenge einem nur leicht sich änderndem Kurvenverlauf folgt und bezüglich des Abstandes OH im wesentlichen konstant bleibt.
Daraus wurde abgeleitet, daß das auf dem Heizelement erzeugte Bläschen keinen echten Strömungswiderstand für die in der Düse in Richtung Ausstoßöffnung strömende Tinte darstellt.
Da beim Tintenstrahlaufzeichnungskopf dieser Ausführungsform zwei Heizelement im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, hat das vordere Heizelement keinen Einfluß auf den gesamten Strömungskanal der Düse und somit auf die Tintenströmung, so daß an diesem seitlich Tinte vorbeiströmen kann.
Es kann aber auch eine andere Annahme getroffen werden. Da zur vollständigen Erezeugung eines Bläschen eine bestimmte Zeit vergeht, sinkt der Strömungswiderstand vor dem Heizelement, wenn zu Beginn des Tintenausstoßes etwas Tinte aus dem Ende der Düse (Ausstoßöffnung) dringt, so daß die Viskosität ein entscheidender Faktor zur Verringerung der Tintenströmung in der Düse wird und die Ausstoßmenge Vd allmählich verringert wird, wenn eine Verkürzung des Abstand OH an einer Stelle erfolgt, an welcher ein solcher Effekt nicht zu erwarten ist. In einem solchen Bereich ist nicht nur der Ab stand OH, sondern auch die Ausstoßmenge Vd eine stabile Größe, selbst wenn Herstellungsabweichungen zu verzeichnen sind. Da der Abstand OH relativ groß ist, werden auch bezüglich der Auffüllfrequenz fr relativ gute Werte erzielt.
Bei einem herkömmlichen Tintenstrahlaufzeichnungskopf, bei welchem in jeder Düse nur ein einziges Heizelement angeordnet ist und eine große Ausstoßmenge erreicht wird, haben Versuche ergeben, daß die Ausstoßmenge Vd annähernd proportional ist der proportionalen Beziehung, daß bei veränderlichem Abstand OH der Proportionalitätsfaktor SO' sich der Größe SO nähert.
Bei einem mit einem schmaleren Heizelement durchgeführten Versuch wurde festgestellt, daß der Proportionalitätsfaktor SO' mit Vergrößerung der Heizelementbreite größer wird und sich SO nähert, wie 10 zeigt.
Genauer ausgedrückt, bei geringer Heizelementbreite wird der Proportionalitätsfaktor SO' kleiner als die Ausstoßöffnungsfläche SO. Wenn der Proportionalitätsfaktor SO' als effektive Ausstoßöffnungsfläche angenommen wird, verringert deren Größe sich mit schmaler werdender Heizelementbreite. Wenn in 10 auf der Ordinate SO' als effektive Ausstoßöffnungsfläche angenommen wird, ergibt sich für den Ausstoßöffnungsdurchmesser zwangsläufig die Größe 2(SO'/π)^1/2.
Auf der Grundlage dieser Erkenntnis muß bei einem Tintenstrahlkopf dieser Ausführungsform ein Heizelement (d. h. das vordere Heizelement, welches sich vor der Ausstoßöffnung befindet) so breit sein, daß die effektive Ausstoßöffnungsfläche kleiner ist (um etwa die Hälfte) als SO, und so angeordnet sein, daß der Abstand OH dem Bereich B (oder dem zweiten Bereich, d. h. dem Bereich C) entspricht, das andere Heizelement (das hintere) im wesentlichen die gleiche Größe haben wie das vordere Heizelement und so angeordnet sein, daß der Abstand OH dem Bereich A (oder Bereich C) entspricht.
Wenn die beiden Heizelemente unabhängig voneinander angesteuert werden, stoßen sie im wesentlichen die gleiche Tintenmenge aus (kleine Tröpfchen), während diese bei simultanem Ansteuern die doppelte Tintenmenge ausstoßen (große Tröpfchen). Wenn das Ausstoßmengenverhältnis großer und kleiner Tintentröpfchen auf 2 : 1 eingestellt wird, können beide Heizelemente in unterschiedlichem Abstand OH zur Ausstoßöffnung symmetrisch zueinander angeordnet werden, um einen Auslenkpunkt zu erzeugen. Eine solche Anordnung der Heizelement erleichtert das Ansteuern und sollte bevorzugt werden.
Das vordere Heizelement kann entsprechend angesteuert werden, um kleine Tintentröpfchen auszustoßen, während bei simultanem Ansteuern des vorderen und des hinteren Heizelements große Tintentröpfchen ausgestoßen werden, so daß das Ausstoßen kleiner Tintentröpfchen bei hoher Geschwindigkeit erfolgen kann und das Ausstoßen kleiner und großer Tintentröpfchen nur bei etwas anderer Geschwindigkeit (oder in einem anderen Verhältnis) erfolgt.
Wenn der Abstand OH des vorderen Heizelements zur Ausstoßöffnung zu kurz gewählt wird, steigt die Ausstoßgeschwindigkeit v, während die Auffüllfrequenz fr sinkt, wobei die vom vorderen Heizelement erzeugten Bläschen Verbindung zur Atmosphäre bekommen können (Bläschenaustritt genannt). Wenn das vordere und das hintere Heizelement gleichzeitig angesteuert werden, kann die gewünschte Ausstoßbedingung nicht erreicht werden. Demzufolge sollte der Abstand OH des vorderen Heiz elements zur Ausstoßöffnung in einem Bereich liegen, welcher das Austreten der Bläschen an die Atmosphäre verhindert und der Ansteuerfrequenz genügt. Der Abstand OH sollte vorzugsweise mindestens 30 μm betragen.
Nachfolgend wird auf die bevorzugte Lage des Heizelements zum Ausstoßen großer Tintentröpfchen näher eingegangen.
Wie bereits erwähnt, werden große Tintentröpfchen bei gleichzeitigem Ansteuern des vorderen und des hinteren Heizelements ausgestoßen. Wenn der Abstand OP zwischen dem Schwerpunkt jedes Heizelements und deren Ausstoßöffnung als Variable angenommen werden, ergeben sich die in den 11A bis 11C dargestellten Ausstoßcharakteristiken, d. h. die Ausstoßmenge Vd, die Ausstoßgeschwindigkeit v und die Auffüllfrequenz fr. Bei dem in diesen Figuren dargestellten Beispiel ist der Abstand OH1 des vorderen Heizelements zur Ausstoßöffnung fixiert, der durch Änderung des Abstandes OH2 des hinteren Heizelements zur Ausstoßöffnung erhaltene Abstand OP variabel.
Bei diesem Beispiel entspricht die Ausstoßmenge Vd in etwa der Summe aus der vom vorderen Heizelement und der vom hinteren Heizelement erzeugten Ausstoßmengen, wenn beide Heizelemente separat angesteuert werden, und erreicht den Maximalwert bei einem bestimmten Abstand OP. Bei dieser Ausführungsform ist der Abstand OP etwas größer als der bestimmte Abstand.
Wie die 11B und 11C zeigen, wird bei einem zu kurzen Abstand OP eine zu hohe Ausstoßgeschwindigkeit v erreicht, woraus ein großer Geschwindigkeitsunterschied beim Ausstoßen großer und beim Ausstoßen kleiner Tintentröpfchen und eine niedrige Auffüllfrequenz resultieren.
Nachfolgend wird der Fall beleuchtet, bei welchem in einer Düse nur ein Heizelement angeordnet ist, wie in 11B dargestellt. Bei diesem Beispiel hat dieses eine Heizelement die Form, welche sich durch Zusammenfügen beider Heizelemente dieser Ausführungsform ergibt, und ist so angeordnet, daß der Abstand OC zwischen dessen Schwerpunkt und der Ausstoßöffnung der Größe OP entspricht. Dadurch wurden im wesentlichen die gleiche Ausstoßmenge Vd, die gleiche Ausstoßgeschwindigkeit v und die gleiche Auffüllfrequenz fr wie bei der vorliegenden Ausführungsform erreicht.
Wie die Versuchsergebnisse zeigen, können in etwa die gleiche Ausstoßmenge Vd, die gleiche Ausstoßgeschwindigkeit v und die gleiche Auffüllfrequenz fr wie bei einem herkömmlichen Tintenstrahlaufzeichnungskopf erzielt werden, wenn der Abstand OP annähernd dem Abstand OC bei einem herkömmlichen Kopf entspricht. Wenn zur Verbesserung der Ausstoßgeschwindigkeit v der Abstand OH1 des vorderen Heizelements zur Ausstoßöffnung zu klein gewählt wird, muß der Abstand OH2 des hinteren Heizelements zur Ausstoßöffnung zwangsläufig größer werden. Wenn der Abstand OH2 aber übermäßig lang gewählt wird, um die Beziehung OC ≌ OP zu erfüllen, besteht die Möglichkeit, daß die erzeugten Bläschen nach hinten wandern und somit ein System zum Zuführen von Tinte zur Düse bilden. Um das zu verhindern, sollte OP etwas kleiner als OC gewählt werden (OP < OC).
Große Tintentröpfchen können auch unter nicht stabilen Bedingungen ausgestoßen werden, wenn der Abstand OH im Bereich B liegt. Wenn Gemeinsamkeiten mit herkömmlichen Erzeugnissen nicht in Betracht gezogen werden, sollte der Abstand OC vorzugsweise im Bereich A liegen.
Es wurde ein Tintenstrahlaufzeichnungskopf kreiert, bei welchem das Heizelement oben genannten Bedingungen entspricht. Nachfolgend wird die mit diesem Kopf erzielte Ausstoßcharakteristik näher beschrieben.
- Messung 1 -
12 zeigt die Form der Düse und der in dieser angeordneten Heizelemente. Die Düse 104 ist mit der Flüssigkeitskammer 51 verbunden. In dieser Düse 104 wird durch Kapillarwirkung ein Meniskus 52 an der Ausstoßöffnung gebildet. In der Düse sind mindestens zwei Heizelemente angeordnet. Wie 12 zeigt, handelt es sich um die beiden Heizelemente A und B. Die Gesamtlänge L der Düse beträgt 400 μm. Die Heizelement A und B sind an Elektroden angeschlossen, wobei als Verbindung zur anderen Anschlußklemme eine gemeinsame Elektrode dient. An die Elektroden ist eine Schaltvorrichtung angeschlossen, um die Heizelemente A und B separat anzusteuern und Tinte aus der Düse auszustoßen. Die beiden Heizelemente A und B haben folgende Abmessungen und sind unter folgenden Abständen zur Ausstoßöffnung angeordnet: HW_A = 22 μm, HL_A = 135 μm, OH_A = 100 μm, HW_B = 24 μm, HL_B = 135 μm und OH_B = 160 μm. Kleine Tintentröpfchen werden nur durch Ansteuern des Heizelements A zwecks Erzeugung von Bläschen ausgestoßen, während zur Erzeugung von Bläschen und Ausstoßen großer Tintentröpfchen beide Heizelemente A und B gleichzeitig angesteuert werden. Die zur Durchführung der Messung verwendete Tinte hatte eine Oberflächenspannung von etwa 40,5 bis 46,5 Dyn/cm und eine Viskosität von 1,5 bis 2,1 cP. Die Ausstoßöffnung hatte einen Querschnitt SO von 680 μm².
Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse der ersten Messung, d. h. die Ausstoßmenge, die Ausstoßgeschwindigkeit und das Auftreten von Tintennebel bei einer Ausstoßfrequenz von 6,5 kHz. Wie aus den Ergebnissen zu erkennen ist, reichen die Ausstoßge schwindigkeit v und die Ausstoßmenge Vd aus, um große und kleine Tintentröpfchen auszustoßen und qualitativ hochwertiges Drucken durchzuführen, da nur sehr wenig Tintennebel gebildet wird.
Tabelle 1
- Messung 2 -
Die Ergebnisse der zweiten Messung sind in Tabelle 2 zusammengestellt.
Die Heizelemente hatten folgende Abmessungen und waren unter folgenden Abständen zur Ausstoßöffnung angeordnet: HW_A = 21 μm, HL_A = 136 μm, OH_A = 100 μm, HW_B = 19 μm, HL_B = 137 μm und OH_B = 140 μm. Wie bei der ersten Messung wurden Ergebnisse erzielt, welche qualitativ hochwertiges Drucken ermöglichen. Wenn die Form oder Größe der Heizelemente verändert wird, können gute Ergebnisse erzielt werden, sofern der Unterschied im Abstand OH angemessen ist.
Tabelle 2
- Messung 3 -
Die Beziehung zwischen der Ausstoßgeschwindigkeit und dem Tintennebel bei unterschiedlichen Abständen OH des Heizelements zur Ausstoßöffnung zeigt Tabelle 3(a), die Beziehung zwischen dem Unterschied OH beider Heizelemente, der Ausstoßgeschwindigkeit bei großen Tintentröpfchen und dem Tintennebel Tabelle 3(b). Wie bei der Messung 1 hatten die Heizelemente die Größe HW_A = 22 μm, HL_A = 135 μm bzw. HW_B = 24 μm, HL_B = 135 μm.
Wie Tabelle 3(a) zeigt, sinkt die Ausstoßgeschwindigkeit kleiner Tintentröpfchen allmählich, wenn der Abstand OH des Heizelements A zur Ausstoßöffnung 120 μm überschreitet, so daß qualitativ hochwertiges Drucken nicht erwartet werden kann. Bei 70 μm oder darunter wird viel Tintennebel gebildet. Das ist offensichtlich darauf zurückzuführen, daß die Auffüllfrequenz fr abnimmt und das Ausstoßen instabil wird.
Tabelle 3(b) zeigt die Ausstoßgeschwindigkeit großer Tintentröpfchen in Abhängigkeit vom Abstand OH des Heizelements B zur Ausstoßöffnung bei konstantem Abstand OH von 100 μm zwischen dem Heizelement A und der Ausstoßöffnung. Bei einem Abstand OH von 110 μm oder darunter ist beim Ausstoßen großer Tintentröpfchen Tintennebel zu verzeichnen, wobei die daraus resultierende Änderung der Ausstoßrichtung zu einer Verschlechterung der Auftreffgenauigkeit der Tintentröpfchen führt. Bei einem Abstand OH von 200 μm oder darüber wird gelegentlich keine Tinte ausgestoßen. Um die Ausstoßgeschwindigkeit kleiner Tintentröpfchen zu erhöhen, das Entstehen von Tintennebel bei großen Tintentröpfchen zu verhindern und stabiles Ausstoßen zu gewährleisten, sollte der Abstand OH des kleine Tintentröpfchen erzeugenden Heizelements zur Ausstoßöffnung 80 bis 130 μm und der Unterschied im Abstand OH zwischen den beiden Heizelementen 10 bis 80 μm betragen. Eine viel bessere Bildqualität wird erreicht, wenn der Unterschied im Abstand OH zwischen den beiden Heizelementen 20 bis 60 μm beträgt.
Tabelle 3(a)
Tabelle 3 (b)
- Messung 4 -
Bei dieser Messung betrug der Abstand OH des hinteren Heizelements zur Ausstoßöffnung konstant 170 μm, während die Lage des vorderen Heizelements verändert wurde. Die Messungen wurden bei unterschiedlichen Ausstoßöffnungsflächen SO und unterschiedlichen Flächen SH des vorderen und des hinteren Heizelements durchgeführt. Die erzielten Ergebnisse sind in den 13A bis 13D bzw. 14A bis 14D in Diagrammform dargestellt und zahlenmäßig in den Tabellen 4 und 5 zusammengefaßt. Von den 13A bis 13D und 14A bis 14D zeigen die 13A und 14A die Ausstoßgeschwindigkeit V, die 13B und 14B die Ausstoßmenge Vd und die 13C und 14C das Verhältnis Ausstoßgeschwindigkeit v/Ausstoßmenge Vd als Funktion des Abstandes OH. Diese Figuren beziehen sich auf den Fall, bei welchem nur das vordere Heizelement verwendet wurde, und den Fall, bei welchem das vordere und das hintere Heizelement gleichzeitig verwendet wurden. Die 13D und 14D zeigen die positionelle Abweichung bei jedem Fall.
Die in Tabelle 4 zusammengestellten Meßergebnisse basieren auf einer Ausstoßöffnungsfläche 50 von 380 μm² und einer Fläche SH beider Heizelemente von 17 um × 135 μm, die in Tabelle 5 zusammengestellten Meßergebnisse auf einer Ausstoßöffnungsfläche SO von 400 μm², einer Fläche SH von 17 μm × 115 μm des vorderen Heizelements und von 23 μm × 115 μm des hinteren Heizelements. Die bei dieser Messung zur Ermittlung der Ausstoßgeschwindigkeiten vF und vF + B sowie der Ausstoßmengen VdF und VdF + B kleiner und großer Tintentröpfchen verwendete Tinte hatte eine Oberflächenspannung etwa 26,0 bis 37,0 Dyn/cm und eine Viskosität von 1,85 bis 2,60 cP. Der bei dieser Messung zur Ermittlung der Tröpfchenflugzeit und der Tintenpunktauftreffabweichung verwendete Aufzeichnungskopf wies die beschriebene Konfiguration auf, war auf einem mit einer Abtastgeschwindigkeit von 0,7 m/s betriebenen Schlitten befestigt und hatte zum Aufzeichnungsmedium einen Abstand von 1 mm. Bei dieser Messung wurden ein erster Wert Ausstoßgeschwindigkeit/Ausstoßmenge für das Ausstoßen kleiner Tintentröpfchen und ein zweiter Wert Ausstoßgeschwindigkeit/Ausstoßmenge für das Ausstoßen großer Tintentröpfchen ermittelt, wobei das Verhältnis aus dem ersten und dem zweiten Wert einen weiteren Wert ergab.
Tabelle 4
Tabelle 5
Wie aus den Meßergebnissen zu erkennen ist, können die bevorzugte Ausstoßgeschwindigkeit, das bevorzugte Ausstoßmengenverhältnis, die bevorzugte Tintenauftreffabweichung und die bevorzugte Auffüllfrequenz erhalten werden, wenn der erste Wert größer ist als der mit dem Proportionalitätsfaktor 1,15 multiplizierte zweite Wert, d. h., wenn die Ausstoßgeschwindigkeit vF und vF + B und die Ausstoßmenge VdF und VdF + B der Relation (vF/VdF) ≥ (vF + B/VdF + B) × Cgenügen, worin C eine Konstante darstellt. Die Konstante C ändert sich in Abhängigkeit von den physikalischen Tinteneigenschaften, wobei die von den Erfindern durchgeführten Versuche zeigen, daß bei einer Tinte mit einer Oberflächenspannung von etwa 26,0 bis 37,0 Dyn/cm und einer Viskosität von 1,85 bis 2,60 cP die Größe der Konstanten C 1,15 und bei einer Tinte mit einer Oberflächenspannung von etwa 40,5 bis 46,5 Dyn/cm und einer Viskosität von 1,5 bis 2,1 cP die Größe der Konstanten C 1,0 beträgt. Das ist offensichtlich darauf zurückzuführen, daß beim Trennen der Tintentröpfchen die Tinte mit der größeren Oberflächenspannung mit einer größeren Kraft zurückgeführt und beim Ausstoßen kleiner Tintentröpfchen die Ausstoßgeschwindigkeit stärker beeinflußt wird, um den Wert C kleiner zu machen.
Nachfolgend wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Diese Ausführungsform betrifft die Konfiguration und den Schwerpunkt der Heizelemente.
Zum Erreichen eines festgelegten Tintentröpfchenvolumens in einem Tintenstrahlaufzeichnungsgerät sind Heizelemente mit einer festgelegten Fläche zur Erzeugung von Bläschen und somit zum Ausstoßen von Tinte unerläßlich.
Um Düsen in einer größeren Dichte anordnen zu können, muß die Breite der Heizelemente verkleinert werden. Zum Erreichen des gleichen Tintentröpfchenvolumens muß das Heizelement aber die gleiche Fläche aufweisen, so daß die Länge des schmaleren Heizelementes zwangsläufig vergrößert werden muß. Wenn in einer Düse mehrere Heizelemente angeordnet werden sollen, muß parallel zur Anordnungsrichtung der Düsen die Breite der Heizelemente stark verkleinert werden, wodurch die Heizelementlänge viel größer wird.
Die 15A und 15B zeigen die Draufsicht der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche die genannten Merkmale aufweist, wobei die Düsen 1001 und 1005 so konfiguriert sind, daß im wesentlichen die gleichen Tintentröpfchen aus diesen ausgestoßen werden. Durch die unterschiedliche Düsenform ergeben sich unterschiedliche Charakteristiken.
In der Düse 1001 sind ein vorderes Heizelement 1002 und ein hinteres Heizelement 1003 und in der Düse 1005 mit der gleichen Form wie die Düse 1001 ein vorderes Heizelement 1006 und ein hinters Heizelement 1008 angeordnet. Das Heizelement 1002 (oder 1003) ist schmaler und länger als das Heizelement 1006 (oder 1008), hat aber im wesentlichen die gleiche Fläche wie jenes, wobei die Heizelemente in den Düsen 1001 und 1005 so angeordnet sind, daß deren Schwerpunkte den gleichen Abstand zur Ausstoßöffnung haben. Bei einer solchen Anordnung ist der Abstand OH1 zwischen der Ausstoßöffnung 1004 und dem vorderen Heizelement 1002 der in 15A dargestellten Düse 1001 kürzer als der Abstand OH2 zwischen der Ausstoßöffnung 1007 und dem vorderen Heizelement 1006 der in 15B dargestellten Düse 1005. Demzufolge liegt das Ende des Heizelements 1002 im Bereich B, so daß daraus eine kleine Ausstoßmenge Vd resultiert. Der Abstand OC1 zwischen der Ausstoßöffnung 1004 und dem als Bläschenbildungszentrum dienenden Schwerpunkt entspricht dem in 15B angedeuteten Abstand OC2 für die Heizelement größerer Breite, wobei die Schwerpunkte im Bereich A liegen. Dadurch ist im wesentlichen mit der gleichen Auffüllfrequenz fr zu rechnen, so daß kleine Tintentröpfchen effektiv erzeugt werden können und effektives Auffüllen von Tinte erreicht werden kann.
Dritte Ausführungsform
Bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen sind die in jedem Tintenströmungskanal vorhandenen thermoelektrischen Wandler parallel zueinander angeordnet. Bei dieser Ausführungsform sind die im Tintenströmungskanal vorhandenen thermoelektrischen Wandler in Tintenströmungsrichtung angeordnet. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das hintere Heizelement wesentlich breiter als das vordere Heizelement. Genauer ausgedrückt, das vordere Heizelement belegt nicht den gesamten Strömungsweg der Düse, so daß beidseitig von diesem Tinte zugeführt werden kann.
Diese Ausführungsform ist in 37 dargestellt, welche die Form und Anordnung der Heizelemente zeigt. Auf die Form und Anordnung des vorderen und des hinteren Heizelements 102 bzw. 103 dieser Ausführungsform wird nachfolgend näher eingegangen.
Form des vorderen Heizelements (W1 × L1): 23 × 67 (μm²)
Abstand des vorderen Heizelements OH1: 92 μm
Form des hinteren Heizelements (W2 × L2): 50 × 60 (μm²)
Abstand des hinteren Heizelements OH2: 185 μm.
Wenn bei dieser Ausführungsform nur das vordere Heizelement angesteuert wird, beträgt die Ausstoßgeschwindigkeit v = 10,8 (m/s) und die Ausstoßmenge Vd = 18,93 (ng), während bei gleichzeitigem Ansteuern des vorderen und des hinteren Heizelements die Ausstoßgeschwindigkeit v' = 20,2 (m/s) und die Ausstoßmenge Vd' = 37,17 (ng) beträgt. Daraus ist ersichtlich, daß bei der vorliegenden Ausführungsform die Relation v/Vd (0, 571) > V'/Vd' (0, 543) gilt .
Bei der vorliegenden Ausführungsform beträgt die Ausstoßöffnungsfläche SO = 310 μm².
Vierte Ausführungsform
Bei dieser Ausführungsform sind die thermoelektrischen Wandler mit einer Schutzschicht überzogen, welche besonders dann bevorzugt wird, wenn im Tintenströmungskanal mehrere thermoelektrische Wandler in Strömungsrichtung angeordnet sind, wie es bei der dritten Ausführungsform der Fall ist. Bei der dritten Ausführungsform sind das vordere und das hintere Heizelement im wesentlichen gleich lang ausgeführt. Einige Strömungskanalkonstruktionen machen es jedoch unmöglich, beide Heizelemente gleich lang auszuführen. In diesen Fällen können die Bläschenbildungsspannungen der beiden Heizelemente voneinander abweichen. Deshalb wird bei der vorliegenden Ausführungsform die Schichtdicke der Schutzschicht über dem hinteren Heizelement mit größeren Abmessungen dünner ausgeführt als die der Schutzschicht über dem vorderen Heizelement mit kleineren Abmessungen oder die Schichtdicke der Wärmespeicherschicht des hinteren Heizelements mit den größeren Abmessungen dünner ausgeführt als die der Wärmespeicherschicht über dem vorderen Heizelements mit den kleineren Abmessungen, um Abweichungen in der Bläschenbildungsspannung zu korrigieren.
Nachfolgend wird in Verbindung mit den entsprechenden Zeichnungen die vierte Ausführungsform detailliert beschrieben.
Die 23 und 24 zeigen Schnittansichten von Tintenstrahlaufzeichnungsköpfen der vierten Ausführungsform, speziell den Substratbereich, in welchem die Heizelemente zur Bläschenbildung angeordnet sind. Von diesen beiden Figuren zeigt 23 die Vertikalschnittansicht des Substrats mit dem darauf angeordneten vorderen Heizelement und 24 die Vertikalschnittansicht des Substrats mit dem darauf angeordneten hinteren Heizelement.
Das bei dieser Ausführungsform für die Heizelemente verwendete Substrat 2120 ist aus Si gefertigt. Dieses Substrat kann mit einer integrierten Steuerschaltung versehen werden. Bei einem Si-Substrat wird durch thermische Oxidation, nach einem Sprühverfahren, CVD-Verfahren oder einem anderem Verfahren vor dem Aufbringen des Widerstandsheizelementes unter diesem ein SiO₂-Wärmespeicherschicht erzeugt. Bei einem mit einer integrierten Schaltung versehenen Substrat wird die SiO₂-Wärmespeicherschicht während dessen Fertigung erzeugt. Diese SiO₂-Wärmespeicheschicht ist in den 23 und 24 mit dem Bezugszeichen 2106 gekennzeichnet. Auf diese Schicht wird durch reaktives Sprühen das Widerstandheizelement 2107 in Form einer TaN-Schicht mit einer Dicke von etwa 1.000 Å aufgebracht und durch Sprühen werden die AL-Schichten 2103 und 2104 als Elektrodenverdrahtung mit einer Dicke von 6.000 Å erzeugt.
Anschließend wird durch Photolithographie ein Verdrahtungsmuster erzeugt und durch Naßätzen Al entfernt. Danach wird erneut ein Muster erzeugt und durch reaktives Ionenätzen TaN entfernt, um Al-Elektroden und das Widerstandsheizelement 2102 zu erzeugen. Das Ende der Al-Verdrahtung dient bei einem Si-Substrat zum Drahtbondern, während bei einem mit einer integrierten Schaltung versehenem Substrat das erwähnte Ende an eine darunter liegende und durch eine Durchgangsbohrung geführte Elektrode angeschlossen ist.
Durch CVD wird auf die Al-Elektrode ein Film aus Phosphorglas (nachfolgend „PG-Schicht" genannt) mit einer Dicke von etwa 7.000 Å aufgebracht und durch Photolithographie nur die PG-Schicht des Widerstandsheizelementes entfernt, wobei im Falle der Erzeugung kleinerer Größen Naßätzen angewendet wird. Anschließend wird durch CVD die mit dem Bezugszeichen 2108 gekennzeichnete SiN-Schicht mit einer Dicke von etwa 3.000 Å erzeugt. Mit anderen Worten, auf der Al-Verdrahtung wird ein Schutzfilm aus einer 7.000 Å dicken PG-Schicht und einer 3.000 Å dicken SiN-Schicht und auf dem Widerstandsheizelement ein 3.000 Å dicker Schutzfilm erzeugt. Auf dem in 24 dargestellten großen Widerstandsheizelement wird ein Schutzfilm mit einer Gesamtdicke von 10.000 Å und auf dem in 23 dargestellten kleinen Widerstandsheizelement ein 3.000 Å dicker Schutzfilm erzeugt.
Anschließend wird durch Sprühen der mit dem Bezugszeichen 2110 gekennzeichnete kavitations- und tintenbeständige Film mit einer Dicke von etwa 2.500 Å aufgebracht.
Die letzte Fertigungsstufe des Substrats für das zur Bläschenerzeugung verwendete Heizelement des Tintenstrahlaufzeichnungskopfes ist die photolithographische Musterbildung der Ta-Schicht zur Schaffung von Anschlußfenstern für das Drahtbondern an der Überlagerung der PG-Schicht und der SiN-Schicht.
Bei dem auf diese Weise gefertigten Substrat ist der Schutzfilm über dem großen Widerstandsheizelement dünner als über dem kleine Widerstandsheizelement, wodurch die Werte der Spannung Vth für die Bläschenbildung in der Tinte auf beiden Widerstandsheizelementen in Ordnung gebracht werden können.
Die 25 und 26 zeigen Vertikalschnittansichten von Tintenstrahlköpfen gemäß einer Modifikation der vierten Ausführungsform, wobei in 25 der Substratabschnitt mit dem darauf angeordneten vorderen Heizelement und in 26 der Substratabschnitt mit dem darauf angeordneten hinteren Heizelement dargestellt ist. Bei dieser Modifikation der vierten Ausführungsform wird das mit dem Bezugszeichen 2120 gekennzeichnete Si-Substrat verwendet. Dieses Substrat kann mit einer integrierten Schaltung versehen sein. Bei einem Si-Substrat wird durch thermische Oxidation, nach einem Sprühverfahren, CVD-Verfahren oder einem anderem Verfahren vor dem Aufbringen des Widerstandsheizelementes unter diesem ein SiO₂-Wärmespeicherschicht erzeugt, welche mit dem Bezugszeichen 2106 gekennzeichnet ist.
Anschließend wird durch Photolithographie, genauer gesagt durch Naßätzen, die Wärmespeicherschicht an der Stelle ausgehöhlt, an welcher das große Widerstandsheizelement erzeugt werden soll. Wie 25 zeigt, hat die ausgehöhlte Wärmespeicherschicht unter dem Widerstandsheizelement eine geringere Dicke.
Auf diese Schicht wird durch reaktives Sprühen das Widerstandheizelement 2107 in Form einer TaN-Schicht mit einer Dicke von etwa 1.000 Å aufgebracht und durch Sprühen werden die AL-Schichten 2103 und 2104 als Elektrodenverdrahtung mit einer Dicke von 6.000 Å erzeugt.
Anschließend wird durch Photolithographie ein Verdrahtungsmuster erzeugt und durch Naßätzen Al entfernt. Danach wird erneut ein Muster erzeugt und durch reaktives Ionenätzen TaN entfernt, um Al-Elektroden und das Widerstandsheizelement 2102 zu erzeugen. Das Ende der Al-Verdrahtung dient bei einem Si-Substrat zum Drahtbondern, während bei einem mit einer integrierten Schaltung versehenem Substrat das erwähnte Ende an eine darunter liegende und durch eine Durchgangsbohrung geführte Elektrode angeschlossen ist.
Danach wird durch CVD ein SiN-Schutzfilm 2108 mit einer Dikke von etwa 1.000 Å aufgetragen und auf diese durch Sprühen eine kavitationsbeständige Ta-Schicht 2110 mit einer Dicke von 2.500 Å aufgebracht.
Dann wird durch Photolithographie, genauer gesagt durch Naßätzen, die Ta-Schicht mit einem Muster versehen und das SiO zum Drahtbondern entfernt, wodurch das Substrat für das zur Bläschenbildung verwendeten Heizelement des Tintenstrahlaufzeichnungskopfes fertiggestellt ist.
Bei dem auf diese Weise gefertigten Substrat ist die Wärmespeicherschicht unter dem kleinen Widerstandsheizelement dünner als unter dem großen Widerstandsheizelement, wodurch die Werte der Spannung Vth für die Bläschenbildung in der Tinte auf beiden Widerstandsheizelementen in Ordnung gebracht werden können.
Der Tintenstrahlaufzeichnungskopf mit einem Substrat dieser Ausführungsform wurde getestet und die Ergebnisse zeigen, daß gutes Aufzeichnen bei ausgezeichneter Gradation möglich ist.
Fünfte Ausführungsform
Die fünfte Ausführungsform betrifft einen Tintenstrahlaufzeichnungskopf, bei welchem sowohl das vordere als auch das hintere Heizelement separat angesteuert werden, so daß ein kleiner und ein mittlerer Wert oder drei Werte, d. h. ein kleiner, ein mittlerer und ein großer Wert erhalten werden können, wobei Größe und Form des vorderen und des hinteren Heizelements in Betracht gezogen werden müssen.
Genauer ausgedrückt, bei einem mit zwei oder mehr thermoelektrischen Wandlern bestückter Tintenströmungskanal wird die Änderung der Ausstoßmenge auf herkömmliche Weise realisiert, wobei im Falle von zwei thermoelektrischen Wandlern (nachfolgend „Ausstoßheizelemente" genannt) das Größenverhältnis der entsprechenden Ausstoßheizelemente dem Ausstoßmengenverhältnis entspricht.
Bei der praktischen Nutzung von Aufzeichnungsköpfen dieser Art können die Ausstoßmenge und weitere Parameter bis zu einem bestimmten Grad präzisiert werden. Um der Forderung nach weiterer Präzisierung gerecht zu werden, haben die Erfinder Versuche durchgeführt, bei welchen der Abstand zwischen dem Ausstoßheizelement und der Ausstoßöffnung (nachfolgend nur „Öffnung" genannt) und die Größe dieser Öffnung verändert wurden. Bei diesen Versuchen sind aber Probleme der Art aufgetreten, daß das Gleichgewicht im Ausstoßmengenverhältnis beider Ausstoßheizelemente verloren ging, so daß das bei der Kopfkonstruktion berücksichtigt werden muß. Genauer ausgedrückt, bei zwei Ausstoßheizelementen in einem Tintenströmungskanal sind komplizierte Verhältnisse zu verzeichnen, so daß zur Gewährleistung der gewünschten Ausstoßmenge bei jedem Ausstoßheizelement oder der Ausstoßstabilität jedes Kopfes der Konfiguration des Tintenströmungskanal große Aufmerksamkeit geschenkt werden muß.
Zur Lösung weiterer beim Stand der Technik auftretender Probleme wurden von den Erfindern ebenfalls Versuche durchgeführt. Beim Konfigurieren der Tintenströmungskanäle hinsichtlich Gewährleistung der gewünschten Ausstoßmengen sind die Öffnungsfläche der Ausstoßöffnung, die Tintenkanallänge, die Größe und Lage der Ausstoßheizelemente und weitere Parameter in Betracht zu ziehen. Im Falle mehrerer Ausstoßheizelemente in einem Tintenströmungskanal wurde besonders der Einfluß der Öffnungsfläche der Ausstoßöffnung und der Strömungskanallänge untersucht. Dabei hat sich herausgestellt, daß nur durch Änderung der genannten Parameter bei Beibehaltung der Steuerung der Ausstoßheizelemente eine stabile Ausstoßmenge nur unter großen Schwierigkeiten erhalten werden kann. Das ist offensichtlich darauf zurückzuführen, daß auch weitere Parameter die Ausstoßmenge beeinflussen und eine Än derung dieser Parameter gleichzeitig die Änderung der Ausstoßcharakteristik zur Folge hat.
Da zur Erzeugung eines Musters auf dem Substrat nach einem Halbleiterfertigungsverfahren Photomasken verwendet werden und die Ausstoßheizelemente eine feste Größe haben, muß zur Veränderung dieser Größe zwecks Erreichen der gewünschten Ausstoßmenge der Kopf vollkommen neu hergestellt werden. Eine nachträgliche Änderung des Gleichgewichts zwischen den von den entsprechenden Ausstoßheizelementen erzeugten Ausstoßmengen erfordert zusätzlichen Zeit- und Arbeitsaufwand. Wenn aber nur das Gleichgewicht der Ausstoßmengen, das heißt das Ausstoßmengenverhältnis fest eingestellt werden kann, sind andere Ausstoßeigenschaften relativ leicht zu steuern. So kann zum Beispiel beim Heraustrennen des Substrats aus einem Wafer die Lage der Ausstoßheizelemente im Tintenströmungskanal fixiert und bei der Erzeugung der Ausstoßöffnungen deren Fläche durch Steuerung der Laserstrahlenergie verändert werden. Dadurch besteht eine größere Freiheit hinsichtlich winziger Änderungen dieser Parameter und die Möglichkeit, diese Änderungen in relativ späten Fertigungsschritten durchzuführen, so daß weniger Zeit- und Arbeitsaufwand erforderlich ist.
Die Erfinder haben die für mehrere Ausstoßheizelemente bei unterschiedlichen spezifischen Ausstoßmengen erforderlichen Ausstoßstabilisierungsbedingungen untersucht. Dabei wurde festgestellt, daß bei der Konfiguration der Köpfe das Ausstoßmengenverhältnis eine sehr wichtige Rolle spielt, und es wurde untersucht, wie das Flächenverhältnis der Ausstoßheizelemente (besonders die Größe und Form jedes einzelnen Ausstoßheizelements) den Tintenausstoß beeinflußt. Bei diesen Untersuchungen wurde bestätigt, daß die dem entsprechenden Ausstoßheizelement zuzuordnende Ausstoßmenge durch geeignete Auslegung dieses Flächenverhältnisses stabil und präzise erhalten werden kann.
Bei jedem Ausstoßheizelement gibt es einen Wärmebereich, welcher zur Erzeugung der tatsächlichen Ausstoßenergie genutzt wird, und einen Wärmebereich, welcher keine Ausstoßenergie erzeugt. Das ist auf die Temperaturverteilung zum Zeitpunkt des Ansteuerns des Ausstoßheizelements und der Wärmefreigabe zurückzuführen. Genauer ausgedrückt, das Ausstoßheizelement erzeugt an der Peripherie eine geringere Temperatur als in der Mitte, so daß im Peripheriebereich die zur Bläschenbildung in der Tinte erforderliche Temperatur nicht erreicht und die erzeugte Wärme nicht zum Ausstoßen genutzt wird. Der Bereich, welche die zur Bläschenbildung erforderliche Temperatur erzeugt, wird nachfolgend effektiver Bläschenbildungsbereich genannt.
Um die Erzeugung der gewünschte Ausstoßmenge stabil zu gewährleisten, werden mehrere Ausstoßheizelemente wie nachfolgend beschrieben konfiguriert.
An erster Stelle steht, daß bei einer festgelegten Größe des Verhältnisses aus den von den einzelnen Ausstoßheizelementen erzeugten Ausstoßmengen das Flächenverhältnis der Ausstoßheizelemente kleiner sein muß als das Ausstoßmengenverhältnis.
Als zweite noch mehr bevorzugter Regel gilt, daß bezüglich des Ausstoßmengenverhältnisses das Breitenverhältnis um die Größe kleiner sein muß, welche sich durch Verringerung der Heizelementbreite um 1 bis 10 μm ergibt.
Drittens wird noch mehr bevorzugt, das Verhältnis der von den entsprechenden Ausstoßheizelementen erzeugten Ausstoß mengen im wesentlichen mit dem Verhältnis der effektiven Bläschenbildungsbereiche in Einklang zu bringen.
Viertens sollen die unter drittens genannten effektiven Bläschenbildungsbereiche in einem Verhältnis zueinander stehen, welches sich durch Subtraktion von 1 μm bis 10 μm von der peripheren Fläche jedes Ausstoßheizelements ergibt.
Die genannten Standpunkte gelten für die Fälle, bei welchen die Flächenmittelpunktelage der im Tintenströmungskanal angeordneten Ausstoßheizelemente im wesentlichen gleich ist und der Werkstoff, die Filmdicke und die Steuerbedingungen der Ausstoßheizelemente im wesentlichen übereinstimmen.
Wenn alle diese Bedingungen in Einklang gebracht werden, können Problem der Art auftreten, daß die Ausstoßleistung des die kleinere Ausstoßmenge erzeugenden Ausstoßheizelements sinkt und somit fehlerhaftes Ausstoßen verursacht wird, besonders bei Verwendung von stark viskoser Tinte oder von Tinte, deren Viskosität bei niedrigen Umgebungstemperaturen steigt. Die Ursache dieses Problems ist eine geringe Ausstoßleistung, welche dem eine geringere Ausstoßmenge erzeugenden Ausstoßheizelement zuzuschreiben ist, und das wirkt sich besonders bei Tintenstrahlaufzeichnungsköpfen aus, bei welchem in einem Tintenströmungskanal mehrere Ausstoßheizelemente angeordnet sind.
Mit dieser Ausführungsform sollen ein Tintenstrahlaufzeichnungskopf, bei welchem in einem Tintenströmungskanal mehrere Ausstoßheizelemente angeordnet sind, von denen jedes die gewünschte Ausstoßmenge stabil erzeugt, sowie ein mit einem solchen Tintenstrahlaufzeichnungskopf bestücktes Tintenstrahlaufzeichnungsgerät bereitgestellt werden.
Der Tintenstrahlkopf der vorliegenden Ausführungsform weist einen Tintenströmungskanal auf, welcher mit einer Ausstoßöffnung zum Ausstoßen von Tinte versehen und mit mehreren thermoelektrischen Wandlern bestückt ist und der Relation Vd1/Vd2 ≤ Sh1/Sh2 genügt, wobei Sh1 und Sh2 die Fläche von zwei thermoelektrischen Wandlern (Sh1 > Sh2) und Vd1 und Vd2 die von diesen beiden thermoelektrischen Wandlern erzeugte Tintenausstoßmenge repräsentieren, welcher außerdem die Bedingung OC1 > OC2 erfüllt, wobei OC1 und OC2 den Abstand zwischen dem Flächenmittelpunkt jedes der beiden Ausstoßheizelemente und der Ausstoßöffnung repräsentieren.
Das Tintenstrahlaufzeichnungsgerät gemäß dieser Ausführungsform weist einen Tintenstrahlaufzeichnungskopf auf, bei welchem in einem mit einer Ausstoßöffnung versehenen Tintenströmungskanal mehrere Ausstoßheizelemente angeordnet sind und von welchem Tinte auf ein Aufzeichnungsmedium ausgestoßen wird, wobei der Tintenstrahlaufzeichnungskopf der Relation Vd1/Vd2 ≤ Sh1/Sh2 genügt, in welcher Sh1 und Sh2 die Fläche des jeweiligen von zwei thermoelektrischen Wandlern (Sh1 > Sh2) und Vd1 und Vd2 die vom jeweiligen der beiden thermoelektrischen Wandler erzeugte Tintenausstoßmenge repräsentieren, welcher außerdem die Bedingung OC1 > OC2 erfüllt, wobei OC1 und OC2 den Abstand zwischen dem Flächenmittelpunkt jedes der beiden Ausstoßheizelemente und der Ausstoßöffnung repräsentieren.
Wenn bei dieser Konfiguration des Kopfes das Verhältnis der Ausstoßmengen und das der Flächen von zwei thermoelektrischen Wandlern der Relation Vd1/Vd2 ≤ Sh1/Sh2 genügt, kann die von jedem thermoelektrischen Wandler zu erzeugende Ausstoßmenge effektiv gewährleistet werden. Bei diesem Kopf ist der Abstand zwischen dem thermoelektrischen Wandler mit der kleineren Fläche und der Ausstoßöffnung relativ kurz, so daß eine Verringerung der Ausstoßleistung bei eingedickter Tinte verhindert werden kann.
27 zeigt schematisch die Schnittansicht des Tintenströmungskanals und der in diesem angeordneten thermoelektrischen Wandler (nachfolgend ebenfalls „Ausstoßheizelemente" genannt) gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
Der Tintenstrahlaufzeichnungskopf ist mit mehreren Öffnungen 3 und mehreren Tintenströmungskanälen 1 versehen (in 27 sind nur eine Öffnung und ein Tintenströmungskanal dargestellt). Der Tintenströmungskanal 1 ist mit einer Flüssigkeitskammer 2 verbunden, wobei die von der Flüssigkeitskammer 2 dem Tintenströmungskanal 1 zugeführte Tinte aufgrund der Kapillarwirkung einen Meniskus in der Nähe jeder Öffnung 3 erzeugt.
Die vorliegende Erfindung ist auf einen Tintenstrahlaufzeichnungskopf übertragbar, bei welchem in jedem Tintenströmungskanal zwei oder mehr Ausstoßheizelemente angeordnet sind. Nachfolgend wird die Konstruktion des mit zwei Ausstoßheizelementen bestückten Tintenströmungskanals der dargestellten Ausführungsform beschrieben. Genauer ausgedrückt, in jedem Tintenströmungskanal 1 sind die Ausstoßheizelemente A4 und B6 mit unterschiedlicher Fläche an unterschiedlichen Stellen angeordnet. Die Fläche des kleineren Ausstoßheizelements A4 ist mit dem Bezugszeichen ShA und die des größeren Ausstoßheizelements B6 mit dem Bezugszeichen ShB gekennzeichnet. Ein Ende jedes der beiden Ausstoßheizelemente A und B ist an eine Selektivelektrode 8 bzw. 9 und das andere Ende an eine gemeinsame Elektrode 10 angeschlossen. Die Elektroden 8 und 9 wiederum sind an Schaltvorrichtungen wie Transistoren (nicht dargestellt) angeschlossen, um die beiden Ausstoßheizelemente A und B selektiv anzusteuern.
Die von den einzeln angesteuerten Ausstoßheizelementen A4 und B6 erzeugte Ausstoßmenge beträgt VdA = 15 ng bzw. VdB = 30 ng. Die Größe der Fläche ShA des Ausstoßheizelements A beträgt 950 μm² und die des Ausstoßheizelements B 2.210 μm². Daraus ergeben sich ein Ausstoßmengenverhältnis VdB/VdA = 2 und ein Flächenverhältnis ShB/ShA = 2,3 und diese erfüllen die Relation VdB/VdA ≤ ShB/ShA, wenn die Flächen der beiden Ausstoßheizelemente A und B als unveränderlich angenommen werden und das Ausstoßheizelement A4 mit der kleineren Fläche nahe der Öffnung 3 angeordnet ist. Da das Ausstoßheizelement A4 eine relativ geringe Ausstoßleistung hat, kann eingedickte Tinte zu fehlerhaftem Ausstoßen führen. Um das zu verhindern, wird der Abstand OCA zwischen der Flächenmitte des Ausstoßheizelements A und der Ausstoßöffnung 3 verringert.
Diese Beziehung ist in 28 dargestellt.
In 28 ist die Beziehung VdB/VdA = ShB/ShA durch die gestrichelte Linie dargestellt und für den Tintenströmungskanal gemäß der vorliegenden Erfindung gilt der unter der gestrichelten Linie liegende Bereich, d. h. der Bereich, welcher die Beziehung VdB/VdA ≤ ShB/ShA erfüllt. Die durchgehende Linie in 28 kennzeichnet zum Beispiel ein Ausstoßmengenverhältnis bei Änderung des Flächenverhältnisses ShB/ShA bezüglich eines bestimmten OCA-Wertes und eines bestimmten OCB-Wertes. Ein Tintenströmungskanal mit einem solchen Bereich erfüllt die geforderten Bedingungen, so daß die Effekte der vorliegenden Erfindung erzielt werden können.
Wie bereits erwähnt, wird die Oberfläche jedes Ausstoßheizelements in Bereiche unterteilt, in einen effektiven Bläschenbildungsbereich (5 und 7 in 27), welcher in der Tinte Bläschen bilden kann, und in einen Bereich (4 und 6 in
27), welcher die zur Bildung von Bläschen erforderliche Temperatur nicht erreicht und keine Bläschen erzeugt. Wenn die Flächenmittelpunkte der Ausstoßheizelemente die gleiche Lage zur Ausstoßöffnung haben, liegt die Bedingung VdB/VdA > ShB/ShA vor, so daß Ausstoßmengen mit großer Präzision erreicht werden können. Genauer ausgedrückt, die Ausstoßmengen können mit großer Präzision erreicht werden, wenn die Heizelemente die Bedingungen für den in 28 dargestellten Bereich über der die Beziehung Ausstoßverhältnis = Flächenverhältnis widerspiegelnden gestrichelten Linie erfüllen. Bei dem in 27 dargestellten Kopf ist der Abstand OCA von der Flächenmitte des Ausstoßheizelements A4 zur Öffnung 3 kürzer gehalten, so daß das Ausstoßheizelement A trotz kleiner Fläche eine große Ausstoßmenge erzeugt. Dadurch wird zur Erzeugung einer sehr präzisen Ausstoßmenge die Relation VdB/VdA ≤ ShB/ShA zugrunde gelegt.
Wenn der Abstand OCA kürzer ist als ein vorbestimmter Wert, kann die Ausstoßmenge sich aber verringern. In einem Tintenströmungskanal, auf welchen die vorliegende Erfindung übertragen wird, liegt der Abstand OCA außerhalb dieses Bereiches, d. h. über dem vorbestimmten Wert.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das Ausstoßmengenverhältnis VdB/VdA = 2,0. Da die Ausstoßzuverlässigkeit des Ausstoßheizelements A4 mit der kleinen Fläche bei eingedickter Tinte dem Abstand zwischen der Öffnung und den Ausstoßheizelementen umgekehrt proportional ist, kann der Abstand dieses Heizelements zur Öffnung im Rahmen der Beziehung OCB/OCA = 2,0 kürzer ausgeführt werden, um die Ausstoßzuverlässigkeit der entsprechenden Ausstoßheizelemente zu sichern.
Aus dieser Darlegung geht hervor, daß unter den Konstruktionsbedingungen VdB/VdA ≤ ShB/ShA bei OCB > OCA die Ausstoßzuverlässigkeit verbessert wird.
Wie bereits erwähnt, gilt im Falle OCB = OCA die Beziehung VdB/VdA > ShB/ShA (vorausgesetzt, VdB > VdA). Demzufolge kann selbst unter der Bedingung VdB/VdA > ShB/ShA (vorausgesetzt, VdB > VdA) OCB > OCA vorgegeben werden, wenn das Verhältnis OCB zu OCA kleine Werte ergibt.
Nachfolgend wird in Verbindung mit den 29A und 29B der effektive Bläschenbildungsbereich jedes Ausstoßelements kurz beschrieben.
Das bei dieser Ausführungsform verwendete Ausstoßheizelement hat den nachfolgend beschriebenen Aufbau. Auf einem Siliziumsubstrat 106 mit einer Dicke von etwa 500–600 μm wird eine Wärmespeicherschicht 105 aus einem Isoliermaterial wie SiO₂ und auf dieser eine Widerstandsschicht 101 erzeugt und danach ein Musterbildungsvorgang durchgeführt. Danach werden auf dieser Schicht eine Schutzschicht 103 aus einem Isoliermaterial wie SiO₂ oder SiN und eine kavitationsbeständige Schicht 104 zum Absorbieren der beim Entstehen und beim Zusammenfallen der Bläschen erzeugten Stoßwellen aufgebracht. An die Widerstandsschicht 101 wird über die Elektroden 9 und 10 eine Spannung gelegt, um elektrische Ströme in dieser zu erzeugen und diese zu erwärmen. Auf diese Weise entsteht der thermoelektrische Wandler (Ausstoßheizelement). Die oben erwähnte Fläche des Ausstoßheizelements ist der Abschnitt der Widerstandsschicht 101, welcher nicht von Elektroden 9 und 10 bedeckt wird.
Die in der Widerstandsschicht erzeugte Wärme entweicht in Richtung Filmüberlagerung im Mittelteil des Ausstoßheizele ments 1 und in Richtung der Filmbreite an den Kanten. Deshalb ist die Temperatur der mit der Tinte in Berührung kommenden Fläche des Ausstoßheizelements an dessen Kante niedriger als in dessen Mittelabschnitt. Die Verteilung der Oberflächentemperatur des Ausstoßheizelements an der in 29A angedeuteten Linie 29B-29B ist in 30 in Diagrammform dargestellt.
Wie aus diesen Figuren zu erkennen ist, verläuft die Temperaturverteilung im Mittelabschnitt des Ausstoßheizelements gleichmäßig, da die Wärme in Richtung Filmüberlagerung entweicht, verringert sich aber in Richtung der Kanten, da dort die Wärme in Richtung Filmausbreitung entweicht. In 30 kennzeichnet das Bezugseichen ΔT1 die Minimaltemperatur, bei welcher auf dem Ausstoßheizelement Bläschen gebildet werden, und das ΔT2 die Temperatur, bei welcher das Ausstoßheizelement zu heiß wird und durch Wärmespannungen beschädigt werden kann, so daß dessen Lebensdauer extrem kurz ist. Wenn die Temperatur des Ausstoßheizelements stabil auf die Bläschenbildungstemperatur der Tinte geregelt werden soll, ohne dessen Lebensdauer negativ zu beeinflussen, muß zwangsläufig der Bereich, welcher die Bläschenbildungstemperatur nicht erreicht und auf welchem somit keine Bläschen gebildet werden, der Kantenbereich des Ausstoßheizelements sein, wie 30 zeigt. Bei dieser Ausführungsform ist der Bereich, auf welchem keine Bläschen gebildet werden, etwa 3 bis 5 μm breit, wobei in Abhängigkeit von der Konfiguration und vom Material des Films sowie von den Steuerbedingungen Abweichungen möglich sind, jedoch sollte die Breite in einem Bereich von 1 bis 10 μm liegen.
Bei dieser Ausführungsform liegen in Längsrichtung des Tintenströmungskanals, d. h. in Tintenströmungsrichtung die beiden Ausstoßheizelemente teilweise nebeneinander. Wenn bei einer solchen Konstruktion die Ausstoßheizelemente gleichzeitig angesteuert werden, wirkt die bei jedem Heizelement in Richtung Filmüberlagerung entweichende Wärme auf den gegenüberliegenden Abschnitt des benachbarten Heizelements und wird von diesem aufgenommen, so daß eine Absenkung der Temperaturverteilung im Kantenbereich des Ausstoßheizelements verhindert werden kann, folglich der effektive Bläschenbildungsbereich sich bis in diesen Bereich erstreckt und eine Verbesserung der Ausstoßeffizienz zu verzeichnen ist.
Nachfolgend wird die Gradationssteuerung des Tintenstrahlaufzeichnungskopfes dieser Ausführungsform beschrieben.
Wie 31A zeigt, ist der von den Kanalwänden 109 gebildete Tintenströmungskanal 1 mit Tinte gefüllt. Beim Ansteuern der Ausstoßheizelemente A4 und B6 zur Erzeugung von Wärme und Bläschen wird durch den Bläschenbildungsdruck aus der Öffnung 3 Tinte ausgestoßen. 31B zeigt den Zustand, in welchem das kleine Ausstoßheizelement A4 Wärme erzeugt, dabei ein kleines Bläschen 113 gebildet und von diesem ein kleines Tröpfchen 11 ausgestoßen wird. Es wird angenommen, daß in diesem Fall die Ausstoßmenge etwa 30 ng beträgt. 31C zeigt den Zustand, in welchem das große Ausstoßheizelement B6 Wärme erzeugt, dabei ein großes Bläschen 112 gebildet und von diesem ein großes Tröpfchen 11 ausgestoßen wird. Wenn die effektive Bläschenbildungsfläche des großen Ausstoßheizelements B6 doppelt so groß ist wie die des kleinen Ausstoßheizelements A4, beträgt aufgrund der Proportionalität zwischen der effektiven Bläschenbildungsfläche und der Ausstoßmenge die letztgenannte etwa 60 ng. 31D zeigt den Zustand, in welchem beide Ausstoßheizelemente angesteuert werden, um Wärme zu erzeugen und ein Bläschen zu bilden. In diesem Fall beträgt die Ausstoßmenge 90 ng, da die von beiden Ausstoßheizelementen erzeugten Ausstoßmengen sich addieren.
Ein Fall, bei welchem mit solchen Ausstoßmengen Bilder erzeugt werden, kann als Reflexionsdichtefall bezeichnet werden. Da die Dichte proportional ist der Tintenausstoßmenge, können bei dieser Ausführungsform drei verschiedene Dichten erhalten werden. Genauer ausgedrückt, durch Verwendung eines großen und eines kleinen Ausstoßheizelements kann die Gradation quaternär ausgedrückt werden. Auch deshalb hat die genannte Ausstoßmenge eine große Bedeutung. Jeder Gleichgewichtsverlust resultiert in einem Linearitätsverlust der Gradationssteuerung.
Nachfolgend wird die Konstruktion dieses Kopfes detaillierter beschrieben. In den 32 und 33 ist die Konfiguration der Tintenströmungskanäle und der diese umgebenden Bereiche dargestellt. Die in diesen Figuren dargestellten Köpfe werden als Winkelausstoß kopf bzw. als Seitenausstoßkopf bezeichnet und bei beiden werden von den in deren Tintenströmungskanälen angeordneten Ausstoßheizelementen A4 und B6 Wärme und Bläschen erzeugt, so aus den nach der Seite bzw. nach oben gerichteten Öffnungen 3 Tinte ausgestoßen wird. Auf einer Grundplatte 41 ist ein Substrat 23 befestigt und an der Deckplatte 101 sind Tintenwände 109 als integrale Bestandteile derselben vorhanden.
Der in 32 dargestellte Winkelausstoßkopf ist mit Tintenkanälen der in 27 dargestellten Konfiguration versehen. Bei dem in 33 dargestellten Seitenausstoßkopf kann aus konstruktiven Gründen die positionelle Beziehung der Ausstoßheizelemente den Abstand zwischen diesen und der Ausstoßöffnung in einem geringeren Maße beeinflussen, aber die Beziehung kann festgelegt werden, wenn der Abstand zwi schen der Ausstoßöffnungsmitte und der Heizelementmitte ähnlich 27 mit OCA bzw. OCB gekennzeichnet ist.
(Erste Modifikation)
34 zeigt schematisch die Schnittansicht des Tintenströmungskanals gemäß einer ersten Modifikation dieser Ausführungsform.
Bei dieser Konstruktion beträgt die Ausstoßmenge VdA 15 ng und die Ausstoßmenge VdB 30 ng bei Flächen ShA und ShB der thermoelektrischen Wandler von 950 μm² bzw. 2.210 μm². Demzufolge genügt diese modifizierte Ausführungsform ebenfalls der Relation VdB/VdA ≤ ShB/ShA. Da, wie bereits beschrieben, das kleinere Ausstoßheizelement A4 eine relativ geringe Ausstoßleistung bringen muß, werden die Längen LA und LB der beiden Ausstoßheizelemente so gewählt, daß diese der Beziehung LA < LB genügen, um bei eingedickter Tinte fehlerhaftes Ausstoßen zu verhindern. Obwohl bei dieser modifizierten Ausführungsform die Vorderkante beider Ausstoßheizelemente den gleichen Abstand zur Ausstoßöffnung hat, ist der Abstand OCA zwischen der Flächenmitte des kleinen Ausstoßheizelements A4 zur Ausstoßöffnung kürzer als der Abstand OCB der Flächenmitte des großen Ausstoßheizelements B6, d. h. OCA < OCB (ähnlich 27).
(Zweite Modifikation)
35 zeigt eine zweite Modifikation dieser Ausführungsform. Bei dieser modifizierten Ausführungsform bildet das Verhältnis aus der vom großen Ausstoßheizelement erzeugten Ausstoßmenge VdB und der vom kleinen Ausstoßheizelement erzeugten Ausstoßmenge VdA die Grundlage für die Festlegung der Fläche und der Lage der beiden Ausstoßheizelemente, wenn beide angesteuert werden.
Die relative Lage des großen und des kleinen Ausstoßheizelements ist bei dieser modifizierten Ausführungsform die gleiche wie die in 27 gezeigte. Wie aus der in 35 gezeigten Tabelle hervorgeht, beträgt bei der vom kleinen Ausstoßheizelement A4 erzeugten Ausstoßmenge VdA = 15 ng im Falle des gleichzeitigen Ansteuerns des großen und des kleinen Ausstoßheizelements B6 bzw. A4 die gesamte Ausstoßmenge VdA + B 45 ng, und wenn VdA + B/VdA mit 3,0 festgelegt ist, beträgt die Gesamtfläche beider Ausstoßheizelemente ShA + B 3.150 μm². Das ergibt ein Flächenverhältnis ShA + B/ShA von 3,3. Durch diese Relation kann sowohl bei separatem als auch bei gleichzeitigem Ansteuern des großen und des kleinen Heizelements eine von beiden erzeugte präzise Ausstoßmenge gewährleistet und eine lineare Gradation beibehalten werden. Besonders im Falle des Ansteuerns beider Heizelemente zur Erzeugung einer großen Ausstoßmenge kann hochdichtes Aufzeichnen in guter Qualität durchgeführt werden.
(Dritte Modifikation)
36 zeigt eine dritte Modifikation des Tintenströmungskanals dieser Ausführungsform, bei welcher wie bei der zweiten Modifikation die Fläche usw, der entsprechenden Ausstoßheizelemente auf der Grundlage der erzeugten Ausstoßmengen beim gleichzeitigen Ansteuern beider Ausstoßheizelemente festgelegt werden. Die Konfiguration des in 36 dargestellten Tintenströmungskanals entspricht der des in 34 dargestellten Tintenströmungskanals gemäß der dritten modifizierten Ausführungsform.
Da bei dieser modifizierten Ausführungsform bei der vom kleinen Ausstoßheizelement A4 erzeugten Ausstoßmenge von 15 ng und gleichzeitigem Ansteuern des großen und des kleinen Ausstoßheizelements B6 bzw. A4 die gesamte Ausstoßmenge 45 ng beträgt, ergibt sich im Falle der Vorgabe VdA + B/VdA = 3,2 eine Gesamtfläche beider Ausstoßheizelemente von ShA + B = 3.250 μm². Das ergibt ein Flächenverhältnis ShA + B/ShA von 3,4.
Wie bereits beschrieben, genügen bei der fünften Ausführungsform das Ausstoßmengenverhältnis und das Flächenverhältnis der beiden thermoelektrischen Wandler der Beziehung Vd1/Vd2 ≤ Sh1/Sh2, so daß beide Wandler die Erzeugung einer präzisen Ausstoßmenge gewährleisten. Außerdem ist der Abstand des kleinen Ausstoßheizelements zur Ausstoßöffnung relativ kurz, so daß selbst bei eingedickter Tinte oder anderen Unzulänglichkeiten eine Verringerung der relativen Ausstoßkraft verhindert werden kann. Demzufolge kann bei jeder Ausstoßart die gewünschte Ausstoßmenge erhalten und lineare Gradation gewährleistet werden.
Nachfolgend wird eine sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Bei dieser Ausführungsform haben von den in 4 dargestellten Bereichen A, B und C die Bereiche A und B eine Länge von 130 μm, so daß die Ausstoßgeschwindigkeiten v und vF + B und die Ausstoßmengen VdF und VdF + B entsprechend der verwendeten Tintenart spezifiziert werden. Diese Parameter sind nachfolgend zusammengestellt.
Wenn eine Tinte mit einer Oberflächenspannung von etwa 26,0 bis 37,0 Dyn/cm und einer Viskosität von 1,85 bis 2,6 cP verwendet wird, gelten die Beziehungen vF ≥ 8 (m/s) vF + B ≤ 16 (m/s) VdF ≤ 25 (pl) 35 ≤ VdF + B ≤ 45 (pl).
Bei Verwendung einer Tinte mit einer Oberflächenspannung von etwa 40,5 bis 46,5 Dyn/cm und einer Viskosität von 1,5 bis 2,1 cP gelten die Beziehungen VF ≥ 7, 5 (m/s) vF + B ≤ 16 (m/s) VdF ≤ 40 (pl) 65 ≤ VdF + B ≤ 80 (pl).
Unter diesen Bedingungen können große und kleine Tintentröpfchen problemlos ausgestoßen werden.
16 zeigt eine aus vier Köpfen A bis D mit den beschriebenen Charakteristiken zusammengesetzte Tintenstrahlaufzeichnungskartusche. Die Tintenstrahlaufzeichnungsköpfen A bis D der zum Farbaufzeichnen verwendeten Kartusche werden mit Tinte Y (Gelb), M (Magenta, C (Zyan) bzw. Bk (Schwarz) gespeist. Bei den Tintenstrahlaufzeichnungsköpfen A bis C hat die in der Beziehung (vF/VdF) ≥ (vF + B/VdF + B) × C verwendete Konstante C die Größe 1,15, beim Tintenstrahlaufzeichnungskopf D die Größe 1,0.
Das Wirkungsprinzip ist bei allen beschriebenen Ausführungsformen das gleiche, egal ob die beiden Heizelemente die gleiche Form haben und, wie in 17A dargestellt, teilweise nebeneinander angeordnet sind, ob die beiden Heizelemente die gleiche Form haben und wie in 17B dargestellt nicht nebeneinander angeordnet sind, ob die beiden Heizelemente unterschiedliche Form haben und wie in 17C dargestellt nicht nebeneinander angeordnet sind oder ob die beiden Heizelemente unterschiedliche Form haben und wie in 17D dargestellt nebeneinander angeordnet sind.
Bei den beschriebenen Ausführungsformen sind die zwei Heizelemente in einem Tintenströmungskanal der Tintenstrahlauf zeichnungsköpfe angeordnet. Die Konzeption der vorliegenden Erfindung kann aber auch auf die Fälle übertragen werden, bei welchen mehr als zwei Heizelemente in einem Tintenströmungskanal angeordnet sind. Wenn zum Beispiel an einer Stelle mehrere Heizelemente nebeneinander angeordnet sind, können diese als ein Heizelement angesehen werden, wobei die vorliegende Erfindung auf dessen Schwerpunkt übertragbar ist. Wenn die Heizelemente in unterschiedlichen Abständen OH angeordnet sind, können diejenigen, deren vorderes und hinteres Ende eine Beziehung zueinander haben, als ein Heizelement angesehen werden, wobei die vorliegende Erfindung auf dessen Schwerpunkt übertragbar ist.
Die beschriebenen Ausführungsformen können so kombiniert werden, daß bei einem entsprechend konstruierten Tintenstrahlaufzeichnungskopf die Vorteile jeder einzelnen zur Wirkung kommen.
18 zeigt perspektivisch und teilweise in Explosivdarstellung ein Beispiel einer Tintenstrahlkopfkartusche, bei welcher der beschriebene Tintenstrahlaufzeichnungskopf verwendet wird.
Bei der in 18 dargestellten Aufzeichnungskopfeinheit IJU wird in Übereinstimmung mit gesendeten elektrischen Signalen Wärme erzeugt, um Filmkochen in der Tinte auszulösen. Die Heizleiterplatte 100 weist ein Siliziumsubstrat mit darauf nach einem Filmformverfahren erzeugten zahlreichen in Reihen angeordneten thermoelektrischen Wandlern (Ausstoßheizelemente) und elektrischen Verdrahtungen aus Al oder einem ähnlichen Metall zum Speisen der Wandler mit Elektroenergie auf. Das Verdrahtungssubstrat 200 ist mit Verdrahtungen entsprechend den auf der Heizleiterplatte 100 angeordneten und mit diesen verbundenen (z. B. durch Drahtbon dern) Verdrahtungen und an der Kante mit Anschlußelektroden zum Empfangen elektrischer Signale von der Gerätehauptbaugruppe versehen. Die Abdeckplatte 1300 hat Trennwände zur Erzeugung von Tintenströmungskanälen entsprechend der Anzahl an Ausstoßöffnungen, eine Aussparung als gemeinsame Flüssigkeitskammer und eine Tintenzuführöffnung 1500 zum Zuführen von Tinte aus dem Tintenbehälter zur gemeinsamen Flüssigkeitskammer und ist mit einer mit zahlreichen Ausstoßöffnungen versehenen Platte 400 verbunden. Bevorzugtes Material zur einstückigen Herstellung der Deckplatte 1300 ist Polysulfonharz, doch es kann auch ein anderes gießbares Kunstharz verwendet werden.
Die zum Beispiel aus Metall gefertigte und ein Bauelement der Aufzeichnungskopfeinheit bildende Stützplatte 300 stützt die Rückseite des Verdrahtungssubstrats 200. Die M-förmige Blattfeder 500 drückt gegen den mit der gemeinsamen Flüssigkeitskammer versehenen Abschnitt der Deckplatte 1300 und gleichzeitig über das mittig an dieser vorhandene Federblatt 501 gegen den mit den Tintenströmungskanälen versehenen Abschnitt. Die beiden hakenförmigen Enden der Blattfeder 500 werden durch die jeweilige in der Stützplatte 300 vorhandene Bohrung 3121 gedrückt und legen sich gegen die Rückseite der Stützplatte 300, so daß die Deckplatte 1300 und die Heizleiterplatte 100 gegen die Stützplatte 300 gedrückt werden. Die Stützplatte 300 ist auch mit zwei Positionierbohrungen 312 und 1900 zur Aufnahme der beiden Wärmeschmelzzapfen 1800 und an der Rückseite mit Vorsprünge 2500 und 2600 zum Positionieren der Kopfkartusche an der in der Gerätehauptbaugruppe angeordneten Kartuschenaufnahme versehen. Die Stützplatte 300 ist auch mit einer Bohrung 320 versehen, in welche das später näher beschriebene Tintenzuführröhrchen 2200 paßt. Das Verdrahtungssubstrat wird durch Kleben oder auf andere Weise an der Stützplatte 300 befestigt.
Die Stützplatte 300 ist an der Stelle, an welchen die Vorsprünge 2500 und 2600 angeordnet sind, mit Aussparungen 2400 versehen, die bei zusammengebauter Kopfkartusche (29) über Verlängerungen an den mit zahlreichen parallel verlaufenden Nuten versehenen drei Seiten der Aufzeichnungskopfeinheit IJU in der Kopfkartusche greifen, um Fremdstoffe wie Staub und Tinte nicht an die Vorsprünge 2500 und 2600 gelangen zu lassen. Ein mit den Parallelnuten 3000 versehenes Abdeckelement 800 bildet die Außenwand der Kopfkartusche und gleichzeitig die Halterung für die Aufzeichnungskopfeinheit IJU. Ein mit den Parallelnuten 3001 versehenes Tintenzuführelement 600 ist über die an diesem angeordnete kragarmförmige Führung 1600 mit dem bereits genannten Tintenzuführröhrchen 2200 verbunden, wobei eine an der Verbindungsstelle zwischen dem Tintenzuführröhrchen 2200 und der Führung 1600 eingesetzte Dichtung 602 die erforderliche Kapillarwirkung gewährleistet. Das Bezugszeichen 601 kennzeichnet eine Pakkung zum Abdichten der Verbindungsstelle zwischen dem Tintenbehälter und dem Tintenzuführröhrchen 2200 und das Bezugszeichen 700 einen an dem zum Tintenbehälter gerichteten Ende des Tintenzuführröhrchens 2200 angeordneten Filter. Das Tintenzuführelement ist ein Gußteil, kann deshalb kostengünstig und in hoher Präzision in Massenproduktion gefertigt werden und gewährleistet durch die kragarmförmige Führung 1600 eine stabile Druckberührung an der Tintenaufnahmebohrung 1500 in der Deckplatte 1300. Bei diesem Beispiel wird in dem beschriebenen Anpreßzustand der Dichtklebstoff von der Tintenzuführelementseite eingeleitet.
Das Tintenzuführelement 600 ist an der Rückseite mit Zapfen (nicht dargestellt) versehen, welche durch die in der Stützplatte 300 vorhandenen Durchgangsbohrungen 1901 und 1902 gedrückt und an der Rückseite der Stützplatte 300 durch Wärme mit dieser verschmolzen werden. Die durch Wärme geschmolze nen, an der Rückseite leicht vorstehenden Bereiche erstrekken sich in die Seitenwand des Tintenbehälters, an welcher die Aufzeichnungskopfeinheit IJU befestigt wird, und beeinträchtigen deren Positionierfläche nicht.
Der Tintenbehälter ist aus dem Kartuschenhauptgehäuse 1000, dem Tintenabsorptionselement 900 und der Deckplatte 1100 zum Abdichten des von hinten in das Kartuschenhauptgehäuse 1000 eingesetzten Tintenabsorptionselements 900 zusammengesetzt.
Die Öffnung 1200 dient als Tintenzuführöffnung für die aus den Elementen 100 bis 600 zusammengesetzte Einheit IJU und auch als Bohrung zum Zuführen eines Imprägniermittels zum Tintenabsorptionselement vor dem Anbringen der Einheit am Abschnitt 1010 des Kartuschenhauptgehäuses 1000.
Bei der beschriebenen Kopfkartusche wird durch die mit der Atmosphäre in Verbindung stehende Bohrung 1401 und die Tintenzuführbohrung 1200 Tinte in den Tintenbehälter gefüllt. Von der mit der Atmosphäre in Verbindung stehenden Bohrung 1401 aus und über die am weitesten von der Zuführbohrung 1200 entfernte Kantenzone sind an der Innenfläche des Hauptgehäuses 1000 Rippen 2300 und an der Innenseite der Deckplatte 1100 Rippen 2500 und 2501 vorhanden, um einen Luftraum im Tintenbehälter zu erzeugen. Mit einer solchen Konstruktion kann gutes Nachströmen von Tinte aus dem Tintenabsorptionselement gewährleistet werden. Voraussetzung dafür ist jedoch effektives und gleichmäßiges Einspritzen von Tinte durch die Tintenzuführöffnung 1200 in das Tintenabsorptionselement. Dieses Verfahren hat sich in der Praxis bewährt.
Die insgesamt vier Rippen 2300 (in 18 sind nur die beiden oberen dargestellt) sind in Schlittenbewegungsrichtung hinten am Kartuschenhauptgehäuse 1000 parallel zueinan der angeordnet und verhindern eine Berührung des Tintenabsorptionselements mit diesem. Dagegen sind die Rippen 2500 und 2501 separat an der Innenfläche der Deckplatte 1100 angeordnet und schaffen dadurch einen größeren Luftraum als die Rippen 2300. Diese Rippen 2500 und 2501 bedecken die Hälfte oder weniger als die Hälfte der gesamten Innenfläche der Deckplatte 1100, ermöglichen somit sicheres Zuführen von Tinte durch Kapillarwirkung zur Tintenzuführöffnung 1200 hin und gewährleisten das Stabilisieren der Tinte im Tintenabsorptionselement 900, und das auch in der von der Tintenzuführöffnung 1200 am weitesten entfernten Zone.
Das Bezugszeichen 1401 kennzeichnet die in einem Abdeckelement vorhandene Öffnung, durch welche der Innenraum des Tintenbehälters mit der Atmosphäre in Verbindung steht, und das Bezugszeichen 1400 ein in die Öffnung 1401 eingesetztes Flüssigkeit abweisendes Element, welches Austreten von Tinte durch die Öffnung 1401 an die Atmosphäre verhindert.
Der Tintenaufnahmeraum des Tintenbehälters hat Rechteckform, wobei die längeren Seiten sich über dessen Breite erstrekken, um mit den in diesem angeordneten Rippen eine besonders effektive Wirkung zu erzielen. Wenn die längeren Seiten des Tintenaufnahmeraums sich in Schlittenbewegungsrichtung erstrecken oder der Tintenaufnahmeraum Würfelform hat, können die Rippen über die gesamte Deckplatte 1100 angeordnet werden, so daß vom Tintenabsorptionselement Tinte stabil zugeführt werden kann.
Nach dem Zusammenbau der Aufzeichnungskopfeinheit IJU ist diese vom Tintenbehälter und von der Abdeckung 800 umgeben, ausgenommen die nach unten gerichtete Öffnung. Die Kopfkartusche wird mit der nach unten gerichteten Öffnung auf dem in der Gerätehauptbaugruppe angeordneten Schlitten eng an diesem befestigt und diese Öffnung dadurch im wesentlichen vollständig abgedeckt. Die vom Aufzeichnungskopf IJH erzeugte Wärme verteilt sich gleichmäßig in dem auf diese Weise gebildeten Raum, hält diesen auf einer gleichmäßigen Temperatur und kann somit effektiv genutzt werden. Wenn der Aufzeichnungskopf IJH zum Beispiel über einen langen Zeitraum kontinuierlich betrieben wird, kann es zu einer leichten Temperaturerhöhung kommen.
Um bei diesem Beispiel die natürliche Wärmeverteilung von der Stützplatte 300 zu unterstützen, ist die Oberseite der Kartusche mit einem Schlitz 1700 versehen, dessen Breite aber kleiner ist als die Breite des genannten Raums, wodurch, unabhängig von den Umgebungsbedingungen, die Temperatur in der gesamten Einheit IJU gleichmäßig verteilt und eine Temperaturerhöhung verhindert werden kann.
Bei der in 19 dargestellten zusammengebauten Kopfkartusche IJC gelangt die Tinte durch die Zuführöffnung des Tintenbehälters, das Tintenzuführröhrchen 2200 in der Führung 1600, eine an der Rückseite des Tintenzuführelements 600 vorhandene Öffnung und die in der Deckplatte 1300 vorhandene Tintenzuführöffnung 1500 in die gemeinsame Flüssigkeitskammer. An der Verbindungsstelle zwischen dem Tintenzuführröhrchen und der Führung wird eine zum Beispiel aus Silikongummi oder Butylgummi gefertigte Packung eingesetzt, um an dieser Stelle des gesamten Tintenzuführtrakts eine dichte Verbindung zu schaffen.
Bei dieser Ausführungsform ist die mit den Ausstoßöffnungen versehene Platte 400 integraler Bestandteil der aus Kunstharz mit ausgezeichneter Tintenbeständigkeit wie Polysulfon, Polyäthersulfon, Polyphenyloxid oder Polypropylen gegossenen Deckplatte 1300.
20 zeigt schematisch ein mit einem Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß der vorliegenden Erfindung bestücktes Tintenstrahlaufzeichnungsgerät IJRA. Die Tintenstrahlkopfkartusche mit dem Aufzeichnungskopf und dem Tintenbehälter als integrale Bestandteile derselben wird auf dem Schlitten HC der Gerätehauptbaugruppe befestigt. Der Schlitten HC ist mit einem Stift (nicht dargestellt) versehen, welcher in die Spiralnut 5005 der vom Antriebsmotor 5013 über die Zahnräder 5011 und 5009 in und entgegen Uhrzeigerrichtung angetriebenen Vorschubspindel 5004 greift, und wird auf diese Weise in Pfeilrichtung a und Pfeilrichtung b hin und her bewegt. Wie bereits erwähnt, wird die Tintenstrahlkopfkartusche mit dem Aufzeichnungskopf und dem Tintenbehälter als integrale Bestandteile derselben auf dem Schlitten HC befestigt. Das Bezugszeichen 5002 kennzeichnet eine Papieranpreßplatte, welche den Papierbogen über die Gesamtlänge in Schlittenbewegungsrichtung gegen die mit dem Bezugszeichen 5000 gekennzeichnete Transportwalze drückt. Die Bezugszeichen 5007 und 5008 kennzeichnen Photokoppelelemente zum Erfassen des am Schlitten angeordneten Hebels 5006 in der Schlittenausgangsstellung, in welcher die Drehrichtung des Motors 5013 umgekehrt wird. Das Bezugszeichen 5016 kennzeichnet eine Stützte für die zum Abdecken der Frontfläche des Tintenstrahlaufzeichnungskopfes verwendete Kappe 5022 und das Bezugszeichen 5016 eine Saugvorrichtung zum Regenerieren des Aufzeichnungskopfes und zum Absaugen der in der Kappe sich sammelnden Tinte durch die in dieser vorhandene Öffnung 5023. Das Bezugszeichen 5017 kennzeichnet eine Reinigungslamelle und das Bezugszeichen 5019 ein Element zum Vorwärts- und Rückwärtsbewegen der Lamelle. Diese Elemente sind an der in der Gerätehauptbaugruppe angeordneten Stützplatte 5018 befestigt. Die Lamelle ist aber nicht auf die dargestellte Form beschränkt, sondern kann bei diesem Beispiel in verschiedenen Formen verwendet werden. Das Bezugszeichen 5012 kenn zeichnet einen Hebel zum Starten der Saugregenerierung, welcher sich zusammen mit dem in den Schlitten HC greifenden Nocken 5020 bewegt und dessen Bewegung über eine bekannte Schaltkupplung vom Antriebsmotor gesteuert wird.
Das Abdecken, das Reinigen und die Saugregenerierung können nach Bedarf an der jeweiligen Stelle des von der Spiralnut 5005 in die Ausgangsstellungszone bewegten Schlittens HC durchgeführt werden. Die Durchführung dieser Vorgänge kann in bekannten Intervallen erfolgen.
Das beschriebene Tintenstrahlaufzeichnungsgerät ist mit einer Kopfkartusche bestückt. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann aber auch ein Tintenstrahlaufzeichnungsgerät verwendet werden, bei welchem von einem separaten Tintenbehälter durch ein dünnes Röhrchen dem Aufzeichnungskopf Tinte zugeführt wird.
21 zeigt im Blockschaltbild den Aufbau des gesamten Gerätes zur Durchführung des Tintenstrahlaufzeichnens mit einem Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß der vorliegenden Erfindung.
Das Aufzeichnungsgerät empfängt vom Hauptcomputer 300 die Druckinformationen in Form von Steuersignalen. Die Druckinformationen werden vorübergehend in der Eingangsschnittstelle 301 gespeichert und gleichzeitig in Daten umgewandelt, welche im Aufzeichnungsgerät verarbeitet werden können, und zur CPU 302 als Kopfsteuervorrichtung gesendet. Die CPU 302 verarbeitet in peripheren Einheiten wie dem RAM 304 in Übereinstimmung mit den im ROM 303 gespeicherten Steuerprogrammen die gesendeten Signale und wandelt diese in Druckdaten (Bilddaten) um.
Um die Bilddaten an entsprechenden Stellen auf dem Aufzeichnungspapier aufzuzeichnen, erzeugt die CPU 302 auch Steuerdaten für den Antriebsmotor, so daß das Aufzeichnungspapier und der Aufzeichnungskopf synchron zu den Bilddaten bewegt werden. Die Bilddaten werden über den Kopftreiber 307 zum Kopf und die Motorsteuerdaten über den Motortreiber 305 zum Antriebsmotor gesendet, wobei zur Erzeugung von Bildern das Ansteuern in entsprechenden Taktfolgen durchgeführt wird.
Bei dem beschriebenen Aufzeichnungsgerät können als Aufzeichnungsmedium, auf welches eine Flüssigkeit wie Tinte ausgestoßen wird, Papier in verschiedenen Arten, OHP-Blätter, Folien aus Kunststoff, welches z. B. zur Fertigung von Kompaktdisketten, Dekorationsplatten usw. verwendet wird, Gewebe, Metallfolien aus Aluminium oder Kupfer, Bahnen aus Leder wie Rinds-, Schweins- oder Kunstleder, Holz- oder Sperrholzpaneele, Bambus, Keramik wie Fliesen oder dreidimensionale Körper wie Schwämme verwendet werden.
Zu den Aufzeichnungsgeräten der beschriebenen Art zählen Druckgeräte zum Aufzeichnen auf Papier unterschiedlicher Art, OH-Blätter usw., Aufzeichnungsgeräte zum Aufzeichnen auf Kunststoff in Form von Kompaktdisketten, Aufzeichnungsgeräte zum Aufzeichnen auf Metallplatten, Aufzeichnungsgeräte zum Aufzeichnen auf Leder, Aufzeichnungsgeräte zum Aufzeichnen auf Holz, Aufzeichnungsgeräte zum Aufzeichnen auf Keramik, Aufzeichnungsgeräte zum Aufzeichnen auf dreidimensionalen Körpern wie Schwämme und Aufzeichnungsgeräte zum Aufzeichnen auf Gewebe.
Zu den Aufzeichnungsflüssigkeiten, welche bei diesen Aufzeichnungsgeräten verwendet werden, zählen solche, welche sich zum Aufzeichnen auf den genannten Medien und unter entsprechenden Bedingungen eignen.
- Aufzeichnungssystem -
Nachfolgend wird ein Beispiel eines Systems zum Aufzeichnen mit einem Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
22 zeigt schematisch den Aufbau eines Tintenstrahlaufzeichnungssystems, bei welchem als Aufzeichnungskopf 201 ein Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Der bei diesem Beispiel verwendete Tintenstrahlaufzeichnungskopf ist ein Ganzzeilenkopf, dessen Länge die Breite des Aufzeichnungsmediums 227 überdeckt und welcher mit zahlreichen Ausstoßöffnungen versehen ist, die in einer Dichte von 14/mm (360 dpi) über die Augzeichnungsbreite des Aufzeichnungsmediums angeordnet sind, wobei der am Halter 202 befestigte Kopf aus vier Einzelköpfen für die Farbe Gelb (Y), Magenta (M), Zyan (C) bzw. Schwarz (Bk) zusammengesetzt ist, welche in X-Richtung parallel zueinander angeordnet sind.
Diese Köpfe werden vom Kopftreiber mit entsprechenden Steuersignalen gespeist und in Übereinstimmung mit diesen Signalen gesteuert.
Diese vier Köpfe werden vom entsprechenden der vier Tintenbehälter 204a bis 204d mit der Farbtinte Y, M, C bzw. Bk gespeist. Das Bezugszeichen 204e kennzeichnet einen entsprechend angeordneten Behälter für Bläschenerzeugungsflüssigkeit, mit welcher die vier Köpfe ebenfalls gespeist werden.
Unter den Köpfen ist eine mit einem Tintenabsorptionselement in Form eines Schwamms ausgestattete Kappe 203a, 203b, 203c bzw. 203d angeordnet, welche während aufzeichnungsfreier Zeiten die Köpfe zwecks Regenerierens abdeckt.
Das Bezugszeichen 206 kennzeichnet ein Transportband zum Transportieren der genannten unterschiedlichen Aufzeichnungsmedien. Das über mehrere Walzen gespannte Transportband 206 wird von Antriebswalzen angetrieben, welche vom Motortreiber 305 gesteuert werden.
Bei diesem Tintenstrahlaufzeichnungssystem sind zur Durchführung verschiedener Vor- und Nachbehandlungen des Aufzeichnungsmediums in dessen Transportrichtung eine Vorbehandlungseinheit 252 und eine Nachbehandlungseinheit 251 angeordnet. Die Art der Vor- und Nachbehandlung sind von der Art des Aufzeichnungsmediums und von der Art der zum Aufzeichnen verwendeten Tinte abhängig. Bei Aufzeichnungsmedien aus Metall, Kunststoff und Keramik wird als Vorbehandlung eine Bestrahlung mit ultraviolettem Licht und Ozon durchgeführt, um deren Oberfläche zu aktivieren und das Haften der Tinte zu verbessern. Aufzeichnungsmedien aus Kunststoff zum Beispiel neigen zum statischen Aufladen und somit zum Anziehen von Staub auf die Oberfläche, welcher gutes Aufzeichnen beeinträchtigen kann. Um das zu verhindern, wird mit einer Ionisiervorrichtung die statische Ladung des Aufzeichnungsmediums beseitigt, so daß der Staub von dessen Oberfläche entfernt werden kann. Bei Verwendung von Gewebe als Aufzeichnungsmedium kann eine Vorbehandlung mit alkalischen Substanzen, wasserlöslichen Substanzen, synthetischen Polymeren, wasserlöslichen Metallsalzen, Harnstoff oder Thioharnstoff durchgeführt werden, um Federbildung zu verhindern und die Farbgebungsrate zu verbessern. Die Vorbehandlung ist aber keineswegs auf die genannten Verfahren beschränkt, denn als Vorbehandlung kann auch eine Regelung der zum Aufzeichnen geeigneten Temperatur des Aufzeichnungsmediums durchgeführt werden.

Claims

Tintenstrahlaufzeichnungskopf mit einer Vielzahl an Flüssigkeitsströmungsbahnen mit Ausstoßöffnungen (3, 104) für ein Ausstoßen einer Tinte und einer Vielzahl an thermoelektrischen Wandlern (102, 103; A, B; A4, B6), die für jede Flüssigkeitsströmungsbahn (1) vorgesehen sind, um die Tinte auszustoßen, wobei ein vorderer thermoelektrischer Wandler (102; A; A4), der sich an der Ausstoßöffnungsseite befindet, so vorgesehen ist, dass, wenn die Tinte durch den vorderen thermoelektrischen Wandler (102; A; A4) allein ausgestoßen wird, ein Wert aus (Ausstoßgeschwindigkeit vF/Ausstoßmenge VdF) in Bezug auf einen Abstand OH, der sich von einem Ende seiner Ausstoßöffnungsseite zu der Ausstoßöffnung (3, 104) erstreckt, bei einem Abstand OH des ersten Bereiches B bei einer Bereichseinteilung in den ersten Bereich B, bei dem der Wert von vF/VdF bei einer Abnahme des Abstandes OH zunimmt, und einem zweiten Bereich A, bei dem er im wesentlichen konstant bei einer Zunahme des Abstandes OH bleibt, ist.
Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß Anspruch 1, wobei zumindest ein zusätzlicher thermoelektrischer Wandler (103; B) im wesentlichen der gleiche thermoelektrische Wandler wie der vordere thermoelektrische Wandler (102; A) ist und der zumindest eine zusätzliche thermoelektrische Wandler einen Abstand OH von dem zweiten Bereich A hat.
Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß Anspruch 2, wobei die thermoelektrischen Wandler (102, 103; A, B) so vorgesehen sind, dass der Abstand von einem Ende der Ausstoßöffnungsseite des vorderen elektrothermischen Wandlers (102; A) zu der Ausstoßöffnungsseite (104) von demjenigen des zusätzlichen thermoelektrischen Wandlers (103; B) verschieden ist, und sie so vorgesehen sind, dass die Ausstoßgeschwindigkeit vF und die Ausstoßmenge VdF zu dem Zeitpunkt, bei dem lediglich der vordere thermoelektrische Wandler (102; A) verwendet wird, und eine Ausstoßgeschwindigkeit vF + B und einer Ausstoßmenge VdF + B zu dem Zeitpunkt, bei dem der vordere thermoelektrische Wandler (102; A) und der zusätzliche thermoelektrische Wandler (103; B) verwendet werden, die folgende Beziehung erfüllen: (vF/VdF) > (vF + B/VdF + B).
Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß Anspruch 2, wobei der zusätzliche thermoelektrische Wandler (103; B) so vorgesehen ist, dass, wenn die Tinte durch den zusätzlichen thermoelektrischen Wandler (103; B) allein ausgestoßen wird, der Wert aus (Ausstoßgeschwindigkeit v/Ausstoßmenge Vd) in Bezug auf den Abstand OH bei einem Abstand OH des zweiten Bereiches A bei einer Bereichseinteilung in einen ersten Bereich B, bei dem der Wert aus v/Vd mit einer Abnahme des Abstandes OH zunimmt, und den zweiten Bereich A, bei dem er im Wesentlichen mit einer Zunahme des Abstandes OH konstant bleibt, ist.
Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß Anspruch 2, wobei die thermoelektrischen Wandler (102, 103; A, B) Blasen durch ein Filmsieden erzeugen, wobei die thermoelektrischen Wandler jeweils eine Länge von 80 μm bis 140 μm und eine Breite haben, die geringer als der Durchmesser der Ausstoßöffnung (104) ist, und wobei sowohl der vordere thermoelektrische Wandler (102; A) als der auch der zusätzliche thermoelektrische Wandler (103; B) einen Abschnitt haben, an dem sie benachbart parallel vorgesehen sind; wobei der Abstand OH des vorderen thermoelektrischen Wandlers (102; A) 130 μm oder weniger beträgt.
Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß Anspruch 1, wobei die thermoelektrischen Wandler (102, 103; A, B) so vorgesehen sind, dass der Abstand von einem Ende der Ausstoßöffnungsseite des vorderen thermoelektrischen Wandlers (102; A) zu der Ausstoßöffnung (104) von demjenigen eines zusätzlichen thermoelektrischen Wandlers (103; B) aus der Vielzahl der thermoelektrischen Wandler verschieden ist, und sie so vorgesehen sind, dass die Ausstoßgeschwindigkeit vF und Ausstoßmenge VdF zu dem Zeitpunkt, bei dem lediglich der vordere thermoelektrische Wandler (102) verwendet wird, und eine Ausstoßgeschwindigkeit vF + B und einer Ausstoßmenge VdF + B zu dem Zeitpunkt, bei dem sowohl der vordere thermoelektrische Wandler (102; A) als auch der zusätzliche thermoelektrische Wandler (103; B) verwendet werden, die folgende Beziehung erfüllen: (vF/VdF) ≥ (vF + B/VdF + B)*cwobei C eine Konstante ist, die proportional zu den Tinteneigenschaften ist und C = 1,0 oder C = 1,15 beträgt.
Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß Anspruch 6, wobei die folgenden Beziehungen erfüllt sind: vF ≥ 8 (m/s) vF + B ≤ 16 (m/s) VdF ≤ 25 (pl) 35 ≤ VdF + B ≤ 45 (pl).
Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß Anspruch 7, wobei die Tinte eine Tinte ist, die eine Oberflächenspannung von ungefähr 26,0 dyn/cm bis 37,0 dyn/cm und eine Viskosität von ungefähr 1,85 cP bis 2,60 cP hat.
Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß Anspruch 6, wobei die folgenden Beziehungen erfüllt sind: vF ≥ 7, 5 (m/s) vF + B ≤ 16 (m/s) VdF ≤ 40 (pl) 65 ≤ VdF + B ≤ 80 (pl).
Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß Anspruch 9, wobei die Tinte eine Tinte ist, die eine Oberflächenspannung von ungefähr 40,5 dyn/cm bis ungefähr 46,5 dyn/cm und eine Viskosität von 1,5 cP bis 2,1 cP hat.
Paar aus zwei Tintenstrahlaufzeichnungsköpfen gemäß Anspruch 6, wobei der eine der beiden Tintenstrahlaufzeichnungsköpfe ein erster Kopf mit einer Flüssigkeitskammer ist und der andere ein zweiter Kopf mit einer Flüssigkeitskammer ist, wobei die in dem ersten Kopf gehaltene Tinte eine Oberflächenspannung von ungefähr 26,0 dyn/cm bis ungefähr 37,0 dyn/cm und einer Viskosität von 1,8 cP bis 2,60 cP hat und eine Konstante C = 1,5 erfüllt, und wobei die in dem zweiten Kopf gehaltene Tinte eine Oberflächenspannung von ungefähr 40,5 dyn/cm bis ungefähr 46,5 dyn/cm und eine Viskosität von 1,5 cP bis 2,1 cP hat und eine Konstante C = 1,0 erfüllt.
Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß Anspruch 1, wobei die Ausstoßgeschwindigkeit vF und die Ausstoßmenge VdF zu dem Zeitpunkt, bei dem lediglich der vordere elektrothermische Wandler (102; A) verwendet wird, und eine Ausstoßgeschwindigkeit vF + B und eine Ausstoßmenge VdF + B zu dem Zeitpunkt, bei dem sowohl der vordere thermoelektrische Wandler (102; A) als auch ein zusätzlicher thermoelektrischer Wandler (103; B) von der Vielzahl an elektrothermischen Wandlern verwendet werden, die folgende Beziehung erfüllen: vF ≥ 8 (m/s) vF + B ≤ 16 (m/s) VdF ≤ 25 (pl) 35 ≤ VdF + B ≤ 45 (pl)wenn eine Tinte mit einer Oberflächenspannung von ungefähr 26,0 dyn/cm bis ungefähr 37,0 dyn/cm und einer Viskosität von 1,8 cP bis 2,60 cP verwendet wird; und die folgenden Beziehungen erfüllt werden: vF ≥ 7, 5 (m/s) vF + B ≤ 16 (m/s) VdF ≤ 40 (pl) 65 ≤ VdF + B ≤ 80 (pl)wenn eine Tinte mit einer Oberflächenspannung von ungefähr 40,5 dyn/cm bis ungefähr 46,5 dyn/cm und einer Viskosität von 1,5 cP bis 2,1 cP verwendet wird; die elektrothermischen Wandler (102, 103; A, B) so vorgesehen sind, dass der Abstand OH von einem Ende der Ausstoßöffnungsseite des vorderen thermoelektrischen Wandlers (102; A) zu der Ausstoßöffnung von demjenigen des zusätzlichen elektrothermischen Wandlers (104; B) verschieden ist, und der vordere thermoelektrische Wandler (102; A) in einem Bereich vorgesehen ist, bei dem der Abstand OH 130 μm oder kleiner ist.
Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß Anspruch 1 oder 6, wobei ein hinterer thermoelektrischer Wandler (103; B; B6) größer als der vordere thermoelektrische Wandler (102; A; A4) ist.
Paar aus einem ersten Kopf, der mit einem thermoelektrischen Wandler in einer Flüssigkeitsströmungsbahn versehen ist und in einem Drucker zum Ausstoßen von Tinte verwendbar ist, und dem Tintenstrahlkopf gemäß Anspruch 1 als einem zweiten Kopf, der als Austausch für den ersten Kopf verwendbar ist, wobei die Vielzahl an thermoelektrischen Wandlern aus zwei thermoelektrischen Wandlern besteht und wobei ein Abstand OP von der Schwerpunktmitte der Kombination aus den beiden thermoelektrischen Wandlern (102, 103; A, B) des zweiten Kopfes zu der Ausstoßöffnung (104) des zweiten Kopfes im Wesentlichen der gleiche wie eine Abstand von der Schwerpunktmitte des thermoelektrischen Wandlers des ersten Kopfes zu der Ausstoßöffnung des ersten Kopfes ist.
Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß Anspruch 1, wobei die thermoelektrischen Wandler (102, 103; A, B) jeweils eine rechtwinklige Form haben, die in der Ausstoßrichtung lang und schlank ist.
Tintenstrahlaufzeichnungskopfkartusche mit einem Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß Anspruch 1 und einem Flüssigkeitsbehälter (900, 1000, 1100), der eine Flüssigkeit hält, die zu dem Tintenstrahlaufzeichnungskopf (IJH) zuzuführen ist.
Tintenstrahlaufzeichnungsgerät mit dem Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß Anspruch 1 und einer Antriebssignalzuführeinrichtung (302), die Antriebssignale zuführt, um eine Flüssigkeit dazu zu bringen, dass sie aus dem Tintenstrahlaufzeichnungskopf (IJH) ausgestoßen wird.
Tintenstrahlaufzeichnungsgerät mit dem Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß Anspruch 1 und einer Aufzeichnungsmediumtransporteinrichtung (206) zum Transportieren eines Aufzeichnungsmediums, das eine Flüssigkeit empfängt, die von dem Tintenstrahlaufzeichnungskopf (IJH) ausgestoßen wird.
Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß Anspruch 2, wobei die Vielzahl an thermoelektrischen Wandlern (102, 103; A, B; A4, B6) in der Flüssigkeitsströmungsbahn in der Richtung der Anordnung der Flüssigkeitsströmungsbahnen vorgesehen ist.
Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß Anspruch 2, wobei die Vielzahl an elektrothermischen Wandlern (102, 103) in der Flüssigkeitsströmungsbahn in der Strömungsrichtung der Tinte vorgesehen ist.
Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß Anspruch 13, wobei die Vielzahl an elektrothermischen Wandlern jeweils mit einer Schutzlage (2108) bedeckt ist, und wobei die Schutzlage des hinteren thermoelektrischen Wandlers eine Lagendicke hat, die geringer als die Lagendicke der Schutzlagen des vorderen thermoelektrischen Wandlers ist.
Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß Anspruch 13, wobei eine Wärmespeicherlage (2106) zwischen jedem der in Vielzahl vorhandenen thermoelektrischen Wandlern und jedem der Substrate (2120), die die Vielzahl an thermoelektrischen Wandlern stützen, vorgesehen ist, und wobei die Wärmespeicherlage des hinteren thermoelektrischen Wandlers eine Lagendicke hat, die geringer als die Lagendicke der Wärmespeicherlage des vorderen thermoelektrischen Wandlers ist.
Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß Anspruch 1, wobei der Tintenstrahlaufzeichnungskopf die Beziehung Vd1/Vd2 ≤ Sh1/Sh2 erfüllt, wenn die Fläche des vorderen thermoelektrischen Wandlers (A4) durch Sh2 wiedergegeben ist und die Fläche eines zusätzlichen thermoelektrischen Wandlers (B6) aus der Vielzahl an thermoelektrischen Wandlern mit Sh1 wiedergegeben ist, (Sh1 > Sh2), und die Tintenausstoßmengen, die zu dem vorderen und dem zusätzlichen thermoelektrischen Wandler zugehörig sind, durch Vd2 bzw. Vd1 wiedergegeben sind; und wobei die Beziehung OC1 > OC2 erfüllt ist, wenn die Abstände zwischen den jeweiligen Flächenmitten und der Ausstoßöffnung des vorderen und des zusätzlichen thermoelektrischen Wandlers durch OC2 und OC1 wiedergegeben sind.
Tintenstrahlaufzeichnungsgerät gemäß Anspruch 23, der die Beziehung L1 > L2 erfüllt, wenn die Längen des vorderen und des zusätzlichen thermoelektrischen Wandlers (A4, B6) in der Tintenausstoßrichtung durch L2 bzw. L1 wiedergegeben sind.
Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß Anspruch 23, der die Beziehung L1/W1 < L2/W2 erfüllt, wenn die Längen des vorderen und des zusätzlichen thermoelektrischen Wandlers (A4, B6) in der Tintenausstoßrichtung durch L2 bzw. L1 wiedergegeben sind und die Breiten des vorderen und des zusätzlichen thermoelektrischen Wandlers (A4, B6) in der Richtung, die unter rechtem Winkel zu der Länge in der Tintenausstoßrichtung fällt, durch W2 bzw. W1 wiedergegeben sind, unter der Voraussetzung, dass Sh1 = W1*L1 und Sh2 = W2*L2.
Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß Anspruch 23, der die Beziehung L1/W1 > L2/W2 erfüllt, wenn die Längen des vorderen und des zusätzlichen thermoelektrischen Wandlers (A4, B6) in der Tintenausstoßrichtung durch L2 bzw. L1 wiedergegeben sind, und die Breiten des vorderen und des zusätzlichen thermoelektrischen Wandlers (A4, B6) in der Richtung, die unter rechtem Winkel zu der Länge in der Tintenausstoßrichtung fällt, durch W2 bzw. W1 wiedergegeben sind, unter der Voraussetzung, dass Sh1 = W1*L1 und Sh2 = W2*L2.
Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß Anspruch 23, wobei die Vielzahl an thermoelektrischen Wandlern aus dem vorderen thermoelektrischen Wandler (A4) und dem zusätzlichen thermoelektrischen Wandler (B6) besteht.
Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß Anspruch 23, wobei der vordere und der zusätzliche thermoelektrische Wandler (A4, B6) einen Abschnitt Seite an Seite benachbart zueinander in der Richtung haben, die unter rechtem Winkel zu der Strömungsrichtung der Tinte in der Tintenströmungsbahn (1) fällt.
Tintenstrahlaufzeichnungsgerät mit dem Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß einem der Ansprüche 23 bis 28.