DE3012698C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein Verfahren dieser Art ist aus der nicht vorveröffent­ lichten DE 29 43 164 A1 bekannt. In dieser Druckschrift ist ein Verfahren zum Ausstoßen von Flüssigkeitströpfchen aus einer einer Flüssigkeitskammer zugeordneten Düsenöffnung beschrieben. Den Flüssigkeitskammern sind Widerstandsheiz­ elemente zugeordnet, an die ein impulsförmiges elektrisches Signal angelegt wird, wenn ein Flüssigkeitströpfchen ausge­ stoßen werden soll. Bei Anlegen eines derartigen Signals an ein Widerstandsheizelement wird der Energieinhalt des Signals in Wärmeenergie umgesetzt. Dies hat zur Folge, daß sich am Widerstandsheizelement eine dich rasch ausdehnende Blase bildet, die das Ausstoßen eines Flüssigkeitströpf­ chens aus der Düsenöffnung bewirkt.

Es ist eine verbesserte und schnellere Aufzeichnung erziel­ bar, wenn die auszustoßende Flüssigkeit vorerwärmt wird. Zu diesem Zweck sind in der Flüssigkeitskammer oder um die Flüssigkeitskammer herum gesonderte Vorheizeinrichtungen vorgesehen, mittels denen die Flüssigkeit auf eine vorbe­ stimmte, mittels einer Temperaturfühlereinrichtung über­ wachte Temperatur erwärmt wird.

Dieses bekannte Verfahren hat den Nachteil, daß ein Auf­ zeichnungskopf verwendet werden muß, der infolge seines komplizierten Aufbaus relativ große Abstände zwischen be­ nachbarten Düsenöffnungen aufweist und folglich nur bedingt für Aufzeichnungen mit hoher Geschwindigkeit geeignet ist.

In der US-PS 31 79 042 ist ein Tintenstrahldrucker be­ schrieben, bei dem der Tintenausstoß ebenfalls durch eine sich in der Tinte bildende Blase bewirkt wird. Die zur Er­ zeugung der Blase erforderliche Wärme wird jedoch nicht durch separate Widerstandsheizelemente, sondern durch einen direkt durch die Tinte fließenden Strom erzeugt. Zu diesem Zweck sind in der mit der Düsenöffnung in Verbindung ste­ henden Flüssigkeitskammer zwei Elektroden vorgesehen. An die Elektroden wird, wenn ein Tintentröpfchen ausgestoßen werden soll, eine Spannung angelegt, die einen Stromfluß durch die zwischen den Elektroden befindliche Tinte be­ wirkt. Hierbei erhitzt sich die Tinte und bildet Blasen, welche ihrerseits den Ausstoß von Tintentröpfchen durch die Düsenöffnung bewirken. Um den Strom, der zu diesem Zweck durch die zwischen den Elektroden befindliche Tinte fließen muß, auf ein Minimum zu reduzieren, wird die Tinte mittels einer in einem Tintenvorratsbehälter vorgesehenen Heizein­ richtung auf eine nahe dem Siedepunkt liegende Temperatur vorerwärmt.

Auch dieser Aufzeichnungskopf ist relativ kompliziert auf­ gebaut und ist daher ebenfalls nicht für eine Aufzeichnung mit hoher Geschwindigkeit geeignet.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu­ grunde, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruchs 1 derart weiterzubilden, daß auf einfache Weise eine sehr hohe Aufzeichnungsgeschwindigkeit erzielbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeich­ nenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale ge­ löst.

Demnach werden das Widerstandsheizelement für den Ausstoß der Flüssigkeitströpfchen und das Heizelement zum Vorheizen der Aufzeichnungsflüssigkeit durch ein- und dasselbe Ele­ ment gebildet, und das Signal zur Ansteuerung dieses Ele­ ments weist einen ersten und einen zweiten Impulsbereich auf, wobei die sich aus Impulsamplitude und Impulsdauer des ersten Impulsbereichs ergebende Energie zur Bildung einer flüssigkeitsausstoßenden Dampfblase nicht ausreicht und zur Vorerwärmung der Aufzeichnungsflüssigkeit dient, und wobei der zweite Impulsbereich einen gegenüber dem ersten Impuls­ bereich unterschiedlichen Signalverlauf besitzt, dessen aus Impulsamplitude und Impulsdauer gebildeter Energieinhalt zur Bildung einer flüssigkeitsausstoßenden Dampfblase führt.

Die Vorerwärmung der Flüssigkeit macht es möglich, daß der zum Flüssigkeitsausstoß dienende, zweite Impulsbereich sehr kurz sein kann; die erzielbare Tröpfchenausstoß-Frequenz ist daher sehr hoch.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Vorerwärmung der auszu­ stoßenden Flüssigkeit ermöglicht es, daß auf das Vorsehen zusätzlicher Heizeinrichtungen, Temperaturfühler und der­ gleichen im Aufzeichnungskopf verzichtet werden kann. Die vergleichsweise geringen Anforderungen an den Aufbau des Aufzeichnungskopfs und die trotz Vorerwärmung der Flüssig­ keit relativ geringe Wärmeentwicklung im Aufzeichnungskopf erlauben es, daß eine Vielzahl von Düsenöffnungen sehr dicht nebeneinander angeordnet werden kann. Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem derartigen Auf­ zeichnungskopf ermöglicht die Herstellung von Aufzeich­ nungen mit äußerst hoher Geschwindigkeit.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungs­ beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1, 2 und 3 sind erläuternde schematische Ansichten, die das Arbeitsprinzip bei der Tröpfchenerzeugung zeigen.

Fig. 4 ist ein Kurvenformdiagramm, das unterschied­ liche Steuersignale zeigt.

Fig. 5 zeigt schematisch den Aufbau eines Tröpfchen­ ausstoß-Kopfes.

In der Fig. 1 ist in schematischer Ansicht das Prinzip des Tröpfchenausstoßes mittels eines Flüssigkeitströpfchen-Aufzeichnungskopfs bzw. Tröpfchen­ ausstoß-Kopfs gezeigt.

Eine im Ausstoßkopf vorgesehene Flüssigkeitskammer W wird mit Flüssigkeit bzw. Tinte IK gespeist. Auf den Empfang eines Ansteuerungs- bzw. Steuersignals hin beginnt ein Temperaturanstieg eines Heizelements H1. Das Heizelement H1 weist eine Breite Δl auf und ist in einem Abstand l von einer Düsenöffnung OF angeordnet. Wenn das Heizelement H1 eine Temperatur oberhalb des Verdampfungs­ punkts der in einem Kammerteil W1 enthaltenen Flüssigkeit erreicht, wird an dem Heizelement H1 ein Bläschen B erzeugt. Mit dem Anstieg der Tempe­ ratur des Heizelements H1 vergrößert sich schnell das Volumen des Bläschens B. Als Folge davon steigt der Druck in dem Kammerteil W1 schnell an, so daß die in dem Kammerteil W1 vorhandene Flüssigkeit schnell in Rich­ tung zu der Düsenöffnung OF und in Gegenrichtung in einem Ausmaß verdrängt wird, das gleich der Volumensteigerung des erzeugten Bläschens B ist. Folglich wird ein Teil der in dem Abschnitt der Strecke 1 (Kammer W) vorhandenen Flüssigkeit aus der Düsenöffnung OF ausgestoßen. Die ausgestoßene Flüssigkeit bildet eine Flüssigkeitssäule, deren vorderes Ende die bis zum Ab­ schluß ihres Anwachsens zugeführte kinetische Energie sammelt. Falls das Bläschen B gegen die Decke der Flüssig­ keitskammer W bzw. des Kammerteils W1 stößt, wird die Stoßkraft in Längsrichtung umgelenkt, so daß die Tröpfchen- Vortriebskraft gesteigert wird.

Auf die Beendigung des Steuersignals hin, das dem Heizelement H1 zugeführt wird, beginnt dessen Temperatur allmählich abzusinken, wodurch an dem Bläschen B unter einer geringfügigen Zeitverzögerung eine Volumenverringe­ rung beginnt. Zugleich mit der Volumenverringerung wird von der Düsenöffnung OF her sowie von der Gegenrich­ tung her wieder Flüssigkeit in dem Bereich der Strecke Δl bzw. des Kammerteils W1 eingefüllt. Auf diese Weise wird die in der Nähe der Düsenöffnung OF vorhandene Flüs­ sigkeit in die Kammer W zurückgezogen, so daß die kineti­ sche Energie des vorderen Endteils der Flüssigkeitssäule zu derjenigen des der Düsenöffnung OF nahen Teils der Flüssigkeitssäule entgegengesetzt gerichtet ist. Auf diese Weise wird der vordere Endteil von der Flüssigkeitssäule abgesondert und bildet ein kleines Tröpfchen ID, das zu einem Material PP hin fliegt und dort an einer vorbe­ stimmten Stelle abgelagert wird. Das Bläschen B an dem Heizelement H1 verschwindet allmählich durch die Wärme­ abfuhr. Die allmähliche Auslöschung bzw. Beseitigung des Bläschens B bewirkt ein langsames Zurückziehen einer Flüssigkeits-Kuppe bzw. eines Meniskus IM an der Düsen­ öffnung. Damit ist es möglich, Schwierigkeiten infolge eines Ausfalls des nachfolgenden Tröpfchenausstoßes auszuschalten (eine übermäßig schnelle Meniskus-Zurückziehen hat zur Folge, daß durch den zerstörten Meniskus bzw. dessen Fläche Luft eingeführt wird). Die Stelle der Bläschenerzeugung muß in geeigneter Weise gewählt werden, da dann, wenn die Stelle zu nahe an der Düsenöffnung OF liegt, das Bläschen selbst gleichfalls aus der Düsenöffnung OF ausgestoßen wird und das Tröpfchen ID zerstört, während ein zu weit von der Düsenöffnung OF entfernt erzeugtes Bläschen keinen Tröpfchenausstoß herbeiführen kann. Die allmähliche Zusammenziehung bzw. Verringerung des Bläschens B wird durch Wärmeabfuhr an dem Heizelement, dem Bläschen oder der Flüssigkeit, durch Kondensation in den Flüssigkeitszustand, durch kapillare Flüssigkeits­ zufuhr oder durch aus diesen Vorgängen kombinierte Vor­ gänge herbeigeführt.

Die Ausmaße des aus der Düsenöffnung OF ausgestoßenen Tröpfchens ID hängen von den Parametern der Einrichtung wie der Menge zugeführter Energie, der Breite Δl des Energiezufuhr-Teils, dem Innendurchmesser d der Flüssig­ keitskammer W, dem Abstand 1 von der Düsenöffnung OF bis zu dem Heizelement H1 usw. sowie von den physikali­ schen Eigenschaften der Flüssigkeit IK wie der spezifi­ schen Wärme, der Wärmeleitfähigkeit, dem Wärmeausdehnungs­ koeffizienten, der Viskosität usw. ab. Anstelle des Heizelements kann auch eine momentane Bestrahlung mit einem Laserimpuls LZP eingesetzt werden, die auf gleich­ artige Weise für den Tröpfchenausstoß eine plötzliche Er­ zeugung und allmähliche Beseitigung des Bläschens B ver­ ursacht. In diesem Fall kann das Element H1 an dem Ab­ schnitt Δ1 bzw. dem Kammerteil W1 gewünschtenfalls als Reflektor oder Wärmesammler zur Verbesserung der Wärme­ erzeugung mittels des Laserimpulses LZP verwendet wer­ den. Hinsichtlich der Flüssigkeit IK besteht nicht unbe­ dingt eine Einschränkung auf eine Aufzeichnungsflüssig­ keit; vielmehr können auch andere Flüssigkeiten wie Wasser, Lösungen von Chemikalien oder Düngemitteln usw. verwendet sein.

Die Fig. 2 zeigt schematisch den Ablauf des Flüssig­ keitsausstoßes zu Zeitpunkten t0 bis t9, wobei die Flüssigkeitskammer W, das Heizelement H1 und die Düsenöffnung OF gezeigt sind und die Flüssigkeit IK durch Kapillarwirkung aus der Richtung P zugeführt wird. Die Fig. 3(A) zeigt ein Beispiel für den Ansteuerungs­ bzw. Steuerimpuls, wobei die Zeitpunkte t0 bis t9 jeweils denjenigen in Fig. 2 entsprechen. Die Fig. 3(B) zeigt die Temperaturänderung des Heizelements H1, während die Fig. 3(C) die Volumensänderung des Bläschens B zeigt. Der Zeitpunkt t0 stellt den Zustand vor dem Tröpfchenaus­ stoß dar; zu einem Zeitpunkt tp zwischen den Zeitpunkten t0 und t1 wird dem Heizelement H1 ein Steuerimpuls E zugeführt. Gemäß der Darstellung beginnt gleichzeitig mit dem Anlegen des Steuerimpulses E an dem Heizelement H1 der Temperaturanstieg. Zu dem Zeitpunkt t1 erreicht das Heizelement eine den Verdampfungspunkt der Flüssigkeit IK übersteigende Temperatur, wodurch Bläschen B erscheinen und der Meniskus IM entsprechend der Verdrängung der Flüssigkeit IK durch die Bläschen B aus der Düsenöffnung herausgetrieben wird. Zum Zeitpunkt t2 sind die Bläschen B weiter entwickelt, so daß ein weiter vorstehender Meniskus IM entsteht. Der Meniskus IM wird zu dem Zeit­ punkt t3 weiter ausgedehnt, an dem gemäß der Darstellung in Fig. 3(A) der Steuerimpuls E endet und gemäß der Dar­ stellung in Fig. 3(B) das Heizelement H1 die höchste Temperatur annimmt. Obgleich gemäß der Darstellung in Fig. 3(B) die Temperatur des Heizelements H1 zu dem Zeit­ punkt t4 schon abnimmt, erreicht zu diesem Zeitpunkt ge­ mäß der Darstellung in Fig. 3(C) das Bläschen B das größte Volumen, so daß der Meniskus IM noch stärker er­ weitert ist. Zu dem Zeitpunkt t5 beginnt die Zusammen­ ziehung des Bläschens B, so daß entsprechend der Volumens­ verringerung des Bläschens B die Flüssigkeit IK aus dem vorstehenden Abschnitt in die Flüssigkeitskammer W zurückgezogen wird, wodurch der Meniskus IM eine Einschnürung Q entwickelt. Zu dem Zeitpunkt t6 wird aufgrund der weiter fortschreitenden Zusammenziehung des Bläschens B das Tröpfchen ID von dem Meniskus IM′ abgesondert. Zu dem Zeitpunkt t7 ist das Tröpfchen ID völlig ausgestoßen, während sich aufgrund der fortgesetzten Zusammenziehung des Bläschens B der Meniskus IM′ weiter der Fläche der Düsenöffnung OF nähert. Zu dem Zeitpunkt t8, zu dem das Bläschen B der Auslöschung bzw. Beseitigung nahe ist, ist der Meniskus IM′ noch weiter in eine Lage an der Innen­ seite der Düsenöffnung OF zurückgezogen. Zu dem Zeitpunkt t9 ist die Flüssigkeit IK wieder nachgefüllt, so daß der Ausgangszustand für den Zeitpunkt t0 eingenommen ist.

Aus dem vorstehenden ist ersichtlich, daß die Form des dem Heizelement H1 zugeführten Steuersignals ein bedeutender Faktor zur Erzielung eines beständigen Aus­ stoßes der Flüssigkeit IK ist. Zur Tröpfchenabtrennung ist auch die Zusammenziehung des Bläschens von Bedeutung, die jedoch leicht durch die Form des Steuersignals ge­ steuert werden kann. Ferner ist es durch die Form des Steuersignals möglich, die Tröpfchenausstoß-Frequenz zu steigern.

Die Fig. 4 zeigt verschiedene Beispiele von Steuer- Signalen und dementsprechenden Temperaturänderungen an dem Heizelement H1 sowie Volumensänderungen des Bläschens Diese Steuersignal-Impulse ermöglichen einen zu­ friedenstellenden Tröpfchenausstoß. Die Kurvenform nach (a) ergibt eine Vorerwärmung vor Beginn des Impulses, wodurch die Impulsbreite für den Tröpfchenausstoß verringert wird. Mit dieser Kurvenform wird eine schnelle Bläschenerzeugung erzielt, was hin­ sichtlich einer Verbesserung der Ausstoßgeschwindigkeit und der Ausstoßfrequenz wirkungsvoll ist. Ferner läßt es das nur bei dem Tröpfchenausstoß vorgenommene Vorer­ wärmen zu, eine übermäßige Erwärmung der Flüssigkeit zu verhindern.

Die Kurvenform nach (b) schließt eine allmähliche Wärmeabfuhr bzw. -vertei­ lung ein, um damit eine gleichmäßige Tröpfchenablösung herbeizuführen und danach ein übermäßiges Zurückziehen des Meniskus zu verhindern; somit ist diese Kurvenform geeignet, ohne Verringerung der Tröpfchengeschwindig­ keit ein allmähliches Zurückziehen des Meniskus zu er­ zielen.

Es ist also allein durch Steuerung des Ansteuerungssignals, d. h. ohne Anwendung beispielsweise eines externen hohen Widerstands möglich eine sehr allmählich verlaufende Wärmeabfuhr an dem Heizelement sowie eine gleichermaßen abklingende Bläschen-Zusammenziehung her­ beizuführen und bei Empfang des nachfolgenden Ausstoß- Befehlsimpulses einen Ausfall bzw. Mangel des Tröpfchen­ ausstoßes aufgrund eines schnellen Zurückziehens des Meniskus, durch das von der Düsenöffnung her Luft eingeleitet wird, zu verhindern. Die Erzeugung und Zusammenziehung des Bläschens werden durch die Impulsbreite S sowie die Impulsamplitude oder -höhe L des Steuersignals bestimmt. Auch im Falle der Verwendung eines Festkörper-Lasers ist es ziemlich einfach, die Intensität des Laserimpulses zu steuern und den Kurvenformen nach (a) und (b) ähnliche Kurvenformen zu erzielen, wodurch eine Steuerung der Wärmeerzeugung bzw. des Bläschenzustands mittels des Laser-Lichts erzielbar ist. Der nachfolgend verwendete Ausdruck "Heizelement" schließt daher auch andere Wärme­ erzeugungseinrichtungen wie Laserstrahlen oder Infrarot­ strahlen ein.

Die Fig. 5 zeigt ein Beispiel für den Aufbau eines Kopfes in einer schematischen, auseinandergezogen dargestellten perspektivischen Ansicht, gemäß der ein Substrat SS1 an seiner Oberfläche mit Heizelementen H1 bis H7, einer gemeinsamen Elektrode D1 und Wählelektroden 11 bis 17 versehen ist. Die Heizelemente 111 bis H7 haben die gleiche Fläche und den gleichen Widerstand und sind so angeordnet, daß sie jeweils mit Flüssigkeitskammern übereinstimmen. Eine Platte GL1 ist mit einem Flüssigkeits­ zufuhr-Einlaß 15, kleinen Nuten M1 bis M7, die die Flüs­ sigkeitskammern bilden, und einer gemeinsamen Ausnehmung ND für die Zufuhr der Flüssigkeit zu den Flüssigkeits­ kammern versehen. Ferner ist die Nuten-Platte GL1 nötigen­ falls an der Tröpfchenausstoß-Seite mit einer (nicht ge­ zeigten) Düsenöffnungsplatte versehen. Die Platte GL1 ist aus einer Glasplatte gebildet, die einem Ätzvorgang zur Herstellung der gemeinsamen Ausnehmung ND und der Nuten M1 bis M7 unterzogen wurde und welche mit dem Substrat SS1 derart zusammengesetzt wird, daß dabei mehrere Flüssigkeitskammern gebildet werden. Folglich werden die Nuten M1 bis M7 so angesetzt, daß sie jeweils mit den Heizelementen übereinstimmen. Die Heizelemente H1 bis H7 führen selektiv eine Wärmeerzeugung mit einem Energiewert herbei der dem Eingangssignalpegel entspricht. Statt an dem Substrat SS1 die Heizelemente anzubringen ist es auch möglich das Substrat SS1 als einfachen Flüssigkeitshalter zu ver­ wenden, wobei in diesem Fall ein an einer Führungsschiene CG verschiebbar angebrachter Festkörperlaser wie beispiels­ weise ein Halbleiter-Laserkopf LZH intermittierend oder kontinuierlich so verschoben wird, daß durch die Platte GL1 hindurch die Nuten selektiv mit Laserimpulsen LZP einer vorbestimmten Länge bestrahlt werden. Ferner können statt der Heizelemente mehrere Laserköpfe LZH fest ange­ bracht werden.

Claims (3)

1. Verfahren zum Ausstoßen zumindest eines Flüssigkeits­ tröpfchens aus einer einer Flüssigkeitskammer zugeordneten Düsenöffnung eines Flüssigkeitströpfchen-Aufzeichnungskopfs mit einem Widerstandsheizelement, das in der Flüssigkeits­ kammer angeordnet ist und mit einem einen impulsförmigen Signalverlauf besitzenden elektrischen Signal betrieben wird, wobei der Energieinhalt des anliegenden Signals so in thermi­ sche Energie umgesetzt wird, daß sich am Widerstandsheiz­ element eine sich rasch ausdehnende Dampfblase bildet, die das Ausstoßen eines Flüssigkeitströpfchens aus der Düsen­ öffnung bewirkt, und mit einem Heizelement zum Vorheizen der Aufzeichnungsflüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) das Widerstandsheizelement und das Heizelement zum Vor­ heizen der Aufzeichnungsflüssigkeit ein- und dasselbe Element sind,
• b) der impulsförmige Signalverlauf einen ersten Impulsbereich besitzt, dessen aus Impulsamplitude und Impulsdauer gebilde­ ter Energieinhalt zur Bildung einer flüssigkeitsausstoßenden Dampfblase nicht ausreicht und zur Vorerwärmung der Aufzeich­ nungsflüssigkeit dient, und
• c) der impulsförmige Signalverlauf einen gegenüber dem ersten Impulsbereich unterscheidbaren zweiten Impulsbereich besitzt, dessen aus Impulsamplitude und Impulsdauer gebildeter Ener­ gieinhalt zur Bildung einer flüssigkeitsausstoßenden Dampf­ blase führt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Energieinhalt des ersten Impulsbereichs kleiner als der des zweiten Impulsbereichs ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalverlauf einen dritten Impulsbereich besitzt, der gegenüber dem zweiten Impulsbereich unterscheidbar ist, sich an diesen anschließt und ein allmähliches Zurückziehen des Flüssigkeitsmeniskus im Bereich der Düsenöffnung bewirkt.