DE3012720C2

DE3012720C2 -

Info

Publication number: DE3012720C2
Application number: DE3012720A
Authority: DE
Inventors: Yoshiaki Yokohama Kanagawa Jp Shirato; Yasushi Sagamihara Kanagawa Jp Takatori; Toshitami Tokio/Tokyo Jp Hara; Yukuo Sagamihara Kanagawa Jp Nishimura; Michiko Tokio/Tokyo Jp Takahashi
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1979-04-02
Filing date: 1980-04-01
Publication date: 1993-06-09
Also published as: DE3012720A1; US4334234A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Beim Tintenstrahlaufzeichnungsverfahren wird ein Flüssigkeitströpfchen als sogenannte Tinte auf ein Aufzeichnungsempfangsglied, z. B. Papier, zubewegt und auf dieses aufgetragen. Flüssigkeitströpfchenerzeugungs-Systeme für ein Tintenstrahlaufzeichnungsverfahren können aufgrund der Tröpfchenerzeugungsweise und der Art der Richtungssteuerung der Tröpfchenbahnen in verschiedene Gruppen eingestellt werden.

Gemäß einem aus der US-PS 35 96 275 oder der US-PS 32 98 030 bekannten Verfahren passiert ein durch kontinuierliche Vibrationen erzeugter Flüssigkeitströpfchenstrom mit einer gesteuerten elektrischen Ladungsmenge ein zwischen Ablenkungselektroden herrschendes gleichmäßiges elektrisches Feld, wodurch die Flugbahn der Tröpfchen für ihre Aufbringung auf ein Aufzeichnungsempfangsglied steuerbar ist. Dieses System wird allgemein "Dauerstrahlsystem" genannt.

Ein weiteres Verfahren ist z. B. aus der US-PS 37 47 120 bekannt. Ein Aufzeichnungskopf mit einer flüssigkeitstropfenausstoßenden Auslaßöffnung ist mit einem piezoelektrischen Vibrator versehen, der elektrische Signale in mechanische Schwingungen umsetzt, wodurch Flüssigkeitströpfchen aus einer Auslaßöffnung in Richtung auf ein Aufzeichnungsempfangsglied hin ausgestoßen und dort aufgebracht werden. Dies ist das sogenannte "Bei-Bedarf-System".

Werden die vorstehend genannten Tintenstrahlaufzeichnungsverfahren mit einer Abtastung durch einen Einzelauslaßöffnungskopf betrieben, so ist wegen der für die Abtastung erforderlichen langen Zeit die Erzielung einer hohen Aufzeichnungsgeschwindigkeit schwierig. Aus diesem Grund hat sich bei Hochgeschwindigkeitsaufzeichnung das sogenannte Mehrfachsystem als vorteilhaft herausgestellt. Bei einem Mehrfachsystem sind die tintentröpfchenausstoßenden Auslaßöffnungen in Form von Mehrfachreihen angeordnet, womit die Aufzeichnung für eine vorbestimmte Breite oder ein vorbestimmtes Feld gleichzeitig ausführbar ist.

Ein Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungsknopf der eingangs genannten Art ist aus der DE 25 43 451 A1 bekannt. Der in dieser Druckschrift beschriebene Aufzeichnungskopf weist mehrere Arbeitskammern auf, die mit jeweils einer Öffnung zum Ausstoßen von Flüssigkeit sowie mit einer Flüssigkeitszuführkammer zur Versorgung der Arbeitskammern mit Flüssigkeit in Verbindung stehen und jeweils einen Energieerzeugungsabschnitt aufweisen, in welchem durch piezoelektrische Kristalle die zur Flüssigkeitsausstoßung benötigte Energie erzeugt wird. An dem der Flüssigkeitszuführkammer zugewandten Ende der Arbeitskammern ist eine Kapillarfiltervorrichtung vorgesehen, welche die gegenseitige Beeinflussung der Flüssigkeiten in den einzelnen Arbeitskammern verhindern soll. Der Einsatz eines solchen Kapillarfilters bewirkt allerdings einen relativ hohen Aufwand bei der Herstellung des Aufzeichnungskopfes und führt zudem zu einem etwas sperrigeren Aufbau des Aufzeichnungskopfs.

In der nicht vorveröffentlichten DE 28 43 064 A1 ist ein weiterer Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf beschrieben, der ebenfalls mehrere Arbeitskammern aufweist, die mit jeweils einer Öffnung zum Ausstoßen von Flüssigkeit sowie mit einer Flüssigkeitszuführkammer zur Versorgung der Arbeitskammern mit Flüssigkeit in Verbindung stehen und jeweils einen Energieerzeugungsabschnitt aufweisen. Die für den Flüssigkeitsausstoß erforderliche Energie wird durch Heizelemente erzeugt, welche im Bereich der Arbeitskammer angeordnet sind. Ein über lange Zeit stabiler Tröpfchenausstoß ist mit diesem Aufzeichnungskopf jedoch nicht sicher gewährleistet.

Bei derartigen Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungsköpfen treten verschiedene, bekannte Probleme auf. Das schwerstwiegende davon besteht darin, daß es kaum möglich ist, die Qualität der aufgezeichneten Buchstaben oder Zeichen hoch zu halten. In Aufzeichnungsköpfen, bei denen eine Anzahl von Arbeitskammern mit tintentröpfchenausstoßenden Auslaßöffnungen sehr dicht zusammengebaut ist, besteht die Neigung zu Übersprechen, d. h., es wird aus einer nicht angesteuerten Arbeitskammer infolge eines an eine benachbarte Arbeitskammer angelegten Signals ein Tintentröpfchen ausgestoßen oder es treten bei einem Tintenausstoßungsvorgang Wechselwirkungen zwischen benachbarten Arbeitskammern auf. Als Ergebnis weisen die aufgezeichneten Buchstaben oder Zeichen oftmals Unregelmäßigkeiten, Schmier- oder Fehlstellen auf.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart weiterzubilden, daß sich auf einfache Weise zuverlässig ein stabiler Flüssigkeitsausstoß erreichen läßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Mittel gelöst.

Demnach sind also die Öffnungen derart dicht angeordnet, daß eine Aufzeichnung mit einer Aufzeichnungsdichte von 8 Linien/mm oder mehr erzielbar ist, und die jeweiligen Energieerzeugungsabschnitte sind als Wärmeenergieerzeugungsabschnitte ausgebildet, durch welche die Flüssigkeit unter Wärmeeinwirkung bis zum Phasenwechsel aufheizbar ist und bei Erreichen des Phasenwechsels ausgestoßen wird. Ferner ist der Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf erfindungsgemäß derart aufgebaut, daß die Beziehung L₁/L₂1 erfüllt ist, wobei L₁ den Abstand von der Flüssigkeitsausstoß-Öffnung zum öffnungsseitigen Ende des Wärmeenergieerzeugungsabschnitts und L₂ den Abstand vom öffnungsseitigen Ende des Wärmeenergieerzeugungsabschnitts zu derjenigen Innenwandoberfläche der gemeinsamen Flüssigkeitszuführkammer bezeichnen, die den Verbindungsabschnitten zwischen der Flüssigkeitszuführkammer und den Arbeitskammern gegenüberliegt. Auf diese Weise kann mit einfachem und kompaktem Aufbau des Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopfs gleichermaßen eine gute Aufzeichnungsqualität und ein stabiler Flüssigkeitsausstoß erzielt werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

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

Fig. 1 ist eine teilweise im Schnitt dargestellte Schrägansicht eines Tintenstrahlaufzeichnungskopfs.

Nachstehend werden unter Bezugnahme auf Fig. 1 die wesentlichen Gesichtspunkte der Erfindung beschrieben. In Fig. 1 ist ein Tintenstrahlaufzeichnungskopf 101 dargestellt; ein Teil des Tintenstrahlaufzeichnungskopfes 101 ist zur Darstellung des inneren Aufbaus entlang einer Arbeitskammer 102-1 aufgeschnitten dargestellt.

Im Aufzeichnungskopf 101 sind in vorbestimmten Intervallen viele Arbeitskammern 102 angeordnet. Die Arbeitskammern 102 sind im hinteren Bereich über Flüssigkeitseinlaßöffnungen 104 mit einer Flüssigkeitszuführkammer 103 verbunden, d. h., daß jede Arbeitskammer 102 von der gemeinsamen Flüssigkeitszuführkammer 103 über die entsprechende Einlaßöffnung 104 mit Flüssigkeit versorgt wird.

Die gemeinsame Flüssigkeitszuführkammer 103 ist mit einer mit einem Zufuhrrohr 106 verbundenen Zuführöffnung 105 versehen und wird von einer (nicht dargestellten) Flüssigkeitsversorgungsquelle mit Flüssigkeit in einer durch einen Pfeil angedeuteten Richtung gespeist.

Jede Arbeitskammer 102 besitzt einen Mündungsbereich 108 mit einer Ausstoßöffnung 107 an einem Ende, einen Energieerzeugungsabschnitt in Form eines Erregungsbereich 109, in dem Energie auf eine Flüssigkeit zur Flüssigkeitsausstoßung einwirkt, und einen Einlaßöffnungsbereich 110 mit einer Einlaßöffnung 104 zum Einbringen von Flüssigkeit in den Erregungsbereich 109. Diese Bereiche und Abschnitte stehen miteinander in Verbindung.

Nach Fig. 1 ist der Abstand zwischen der Auslaßöffnung 107 und dem auslaßöffnungsseitigen Ende des Erregungsbereichs 109 mit L₁, der Abstand zwischen dem auslaßöffnungsseitigen Ende des Erregungsbereichs 109 und einer der Einlaßöffnung 104 gegenüberliegenden Innenwandoberfläche 111 der gemeinsamen Flüssigkeitszuführkammer 103 mit L₂ bezeichnet. Es wurde gefunden, daß L₁ und L₂ wichtige Größen zur Bestimmung der Wirksamkeit bzw. Leistungsfähigkeit der Flüssigkeitsausstoßung, der Wirksamkeit der Flüssigkeitsversorgung bei der Versorgung der einzelnen Arbeitskammern 102 mit Flüssigkeit von der gemeinsamen Flüssigkeitszuführkammer 103 und der Flüssigkeitströpfchenerzeugungsfrequenz sind (Zahl der je Zeiteinheit ausgestoßenen Flüssigkeitströpfchen). Im besonderen bestimmt das Verhältnis von L₁ zu L₂ die Aufzeichnungsqualität des Aufzeichnungskopfes. Es wurde gefunden, daß eine gute Aufzeichnungsqualität erreichbar ist, wenn das Verhältnis der Bedingung 0<L₁/L₂≦1 genügt. Dabei sollte ein Aufbau mit L₁ gleich Null vermieden werden, da dann der Erregungsbereich bis zur Auslaßöffnung reicht, wodurch eine fehlerhafte Flüssigkeitströpfchenausstoßung hervorgerufen wird. Ein aus einer Auslaßöffnung eines solchen Aufzeichnungskopfes (L₁=0) ausgestoßenes Flüssigkeitströpfchen besitzt keine konstante Teilchengröße, sondern zerlegt sich in viele feine Tröpfchen, wodurch häufig sogenannte Spritzer auftreten. Aus diesem Grund sollte L₁<0 sein.

Insbesondere stellte sich heraus, daß das Verhältnis von L₁ zu L₂ bei Verwendung eines Aufzeichnungskopfs mit in hoher Dichte angeordneten Arbeitskammern 102 ein Schlüsselfaktor zur Bestimmung der Aufzeichnungscharakteristiken ist.

Es ist eine Energieerzeugungseinrichtung vorgesehen, die, falls nötig, im Inneren des Erregungsbereichs 109 angeordnet sein kann. Wenn z. B. ein erfindungsgemäßer Aufzeichnungskopf bei den in der US-PS Nr. 36 83 212, der US-PS 39 46 398 u. a. beschriebenen Aufzeichnungsverfahren eingesetzt ist, ist ein elektromechanischer Wandler, z. B. ein piezoelektrisches Element oder ähnliches, als Energieerzeugungseinrichtung im Erregungsabschnitt 109 angeordnet. Durch die Aufzeichnungseingangssignale des elektromechanischen Wandlers entsteht Druckenergie (Druckwelle), die zur Ausstoßung von Tröpfchen aus der Auslaßöffnung 107 und ihrer Fortbewegung auf die Flüssigkeit im Erregungsbereich 109 einwirkt.

Es kann jedoch auch ein elektrothermischer Wandler an einem Erregungsbereich 109 vorgesehen sein. Durch an den Wandler angelegte Aufzeichnungseingangssignale wird Wärmeenergie erzeugt, die einen plötzlichen Phasenwechsel beispielsweise der Flüssigkeit im Erregungsbereich 109 hervorruft. Durch die Kraft, die durch die beim abrupten Phasenwechsel sich in der Flüssigkeit bildenden Dampfblasen erzeugt wird, werden Flüssigkeitströpfchen aus der Ausstoßöffnung ausgestoßen.

Beim Einsatz eines derartigen Aufzeichnungsverfahrens muß der Erregungsbereich 109 nicht notwendigerweise mit einer Energieerzeugungseinrichtung versehen werden, eine solche Einrichtung kann auch an der Außenseite des Aufzeichungskopfes angebracht sein. Jedoch muß auch in diesem Fall die Lage des Erregungsbereichs 109 so bestimmt werden, daß die vorstehend genannte Beziehung erfüllt ist. Bei Einhalten der Beziehung ist eine bemerkenswerte Verbesserung der Flüssigkeitströpfchenausstoßungscharakteristiken zu verzeichnen, insbesondere bei einer Hochgeschwindigkeitsaufzeichnung und einem Mehrfachöffnungssystem hoher Dichte.

Der Aufzeichnungskopf 101 besitzt Arbeitskammern 102 mit jeweils rechteckigem Querschnitt, der an jeder Stelle von der Spitze des Mündungsbereichs 108 bis zur Einlaßöffnung 104 im Einlaßöffnungsbereich 110 gleich groß ist. Die Struktur bzw. Form der Arbeitskammern ist allerdings nicht auf eine solche Form beschränkt; sie können im Querschnitt auch rund, halbrund oder in jeder anderen Form ausgeführt sein und die Querschnittsgröße kann sich gegebenenfalls im Bereich zwischen der Ausstoßöffnung 107 und der Einlaßöffnung 104 verändern.

Wenn die Bedingung 0<L₁/L₂≦1 eingehalten ist, sind sogar dann sehr gute Aufzeichnungscharakteristiken erzielbar, wenn z. B. die (senkrecht zur Flußrichtung gesehene) Querschnittsfläche der Arbeitskammer durchschnittlich im Bereich von 1×10³-5×10⁴ µm² liegt und die Arbeitskammern in einer Dichte von 8 Linien/mm oder mehr angeordnet sind.

Zur Erzielung weiterer Vorteile ist es notwendig, zusätzlich zu der vorstehend genannten Bedingung den Abstand zwischen der Einlaßöffnung 104 und der der Einlaßöffnung gegenüberliegenden Innenwand 111 der gemeinsamen Flüssigkeitszuführkammer 103 nicht unter einen gewissen Mindestwert sinken zu lassen. Für den mit L₃ bezeichneten Abstand zwischen der Einlaßöffnung 104 und der Innenwand 111 der gemeinsamen Flüssigkeitszuführkammer 103 ist üblicherweise eine Größe von 0,5 mm oder mehr erforderlich. Zur beständigen, gleichmäßigen und ausgeglichenen Versorgung jeder Arbeitskammer mit Flüssigkeit besitzt L₃ vorzugsweise den Wert 1 mm oder mehr.

Liegt die Länge L₃ der gemeinsamen Flüssigkeitszuführkammer bei 200 µm, so kann nicht ausreichend Flüssigkeit zugeführt werden und als Ergebnis ist im Falle eines Musters mit 24 kontinuierlich aufgezeichneten Punkten die Dichte der Druckaufzeichnung gering.

Wird ein Impulssignal in Form einer Rechteckspannung von 10 µs Dauer in einem Zyklus von 200 µs an eine Einrichtung mit L₁=2 mm, L₂=0,2 mm und L₃=1 mm angelegt, so beginnt die Ausstoßung von Flüssigkeitströpfchen zur Erzielung einer Aufzeichnung bei 27 Volt.

Im vorstehenden Beispiel ist zwar ein der Bedingung 0<L₁/L₂≦1 genügender Aufzeichnungskopf entworfen. Üblicherweise liegt jedoch L₁ zwischen 30 bis 1000 µm und vorzugsweise zwischen 50 bis 500 µm, während L₂ üblicherweise zwischen 100 bis 50 000 µm und vorzugsweise zwischen 2000 und 10 000 µm liegt.

Claims

1. Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf mit mehreren Arbeitskammern, die mit jeweils einer Öffnung zum Ausstoßen von Flüssigkeit sowie mit einer Flüssigkeitszuführkammer zur Versorgung der Arbeitskammern mit Flüssigkeit in Verbindung stehen, und einem entsprechend den Arbeitskammern vorgesehenen Energieerzeugungsabschnitt zum Erzeugen von der Flüssigkeitsausstoßung dienenden Energie, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen derart dicht angeordnet sind, daß eine Aufzeichnung mit einer Aufzeichnungsdichte von 8 Linien/mm oder mehr erzielbar ist, daß der Energieerzeugungsabschnitt (HT) als Wärmeenergieerzeugungsabschnitt ausgebildet ist, durch den die Flüssigkeit unter Wärmeeinwirkung bis zum Phasenwinkel aufheizbar und ein Flüssigkeitstropfen aufgrund des Phasenwechsels ausstoßbar ist, und daß die Beziehung L₁/L₂1 erfüllt ist, wobei L₁ den Abstand von der Öffnung (107) zum öffnungsseitigen Ende des Wärmeenergieerzeugungsabschnitts und L₂ den Abstand vom öffnungsseitigen Ende des Wärmeenergieerzeugungsabschnitts zu derjenigen Innenwandoberfläche (111) der gemeinsamen Flüssigkeitszuführkammer (103) bezeichnen, die den Verbindungsabschnitten (Einlaßöffnung 104) zwischen der Flüssigkeitszuführkammer (103) und den Arbeitskammern (102) gegenüberliegt.

2. Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Verbindungsabschnitten (Einlaßöffnung (104) gegenüberliegende Innenwandoberfläche (111) der Flüssigkeitszuführkammer (103) im wesentlichen parallel zur Oberflächenebene der Verbindungsabschnitte (Einlaßöffnung 104) verläuft.

3. Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wärmeerzeugungsabschnitt durch einen Heizwiderstand gebildet wird.

4. Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß L₁ zwischen 30 µm und 1000 µm liegt.

5. Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß L₂ zwischen 100 µm und 50 000 µm liegt.

6. Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitskammern (102) im wesentlichen parallel und in regelmäßigen Intervallen angeordnet sind.

7. Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (107) zum Ausstoßen von Flüssigkeitströpfchen und die Verbindungsabschnitte (Einlaßöffnung 104) im wesentlichen gleich groß sind.