DE19856786C2 - Tröpfchenaustoßvorrichtung - Google Patents

Description

Obwohl es sich bei der Erfindung um eine für einen Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf entwic­ kelte Vorrichtung handelt, kann sie vielfältig als Vorrichtung zur Bildung eines leitenden Films einer kleinen elektrischen Schaltung oder integrierten Schaltung und überdies zum Kleindrucken zusätzlich zum Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf verwendet werden. Die Erfin­ dung betrifft die Verbesserung der in der nachveröffentlichten EP 0 783 965 A2 offenbarten Technik (im folgenden "ältere Anmeldung" genannt).

Vom Anmelder wurde eine Tröpfchenausstoßvorrichtung gemäß einer neuen Theorie in der vorgenannten älteren Anmeldung offenbart. Die Tröpfchenausstoßvorrichtung weist eine Hauptkammer mit einem Einlaß und einer Ausstoßöffnung sowie eine Druckbeaufschla­ gungseinrichtung zum Ausüben eines Drucks auf die in die Hauptkammer eingeleitete Flüs­ sigkeit auf. Die Ausstoßöffnung erzeugt Oberflächenwellen auf der Oberfläche der die Luft an der Ausstoßöffnung berührenden Spritzflüssigkeit durch den Druck und stößt Tröpfchen mit einem kleineren Durchmesser als dem der Ausstoßöffnung in Übereinstimmung mit der Wirkung der Oberflächenwellen aus. Zur Bildung von Oberflächenwellen auf der Oberfläche der Flüssigkeit an der Ausstoßöffnung ist die Schnittform gemäß Fig. 4 offenbart. Fig. 4 ist eine Darstellung des Aufbaus einer Ausstoßvorrichtung für Tintentröpfchen. Die Tröpfchen­ ausstoßvorrichtung ist mit einem Einlaß 1, einer Ausstoßöffnung 2, einer Schwingplatte 3, einem piezoelektrischen Aktor 4, einer Hauptkammer 5 und einer Tintenversorgung 6 verse­ hen.

Bei einer mechanischen Verschiebung der durch den piezoelektrischen Aktor 4 angesteuerte Schwingplatte 3 ändert sich der Druck der in der Hauptkammer 5 gespeicherten Tinte, und Oberflächenwellen werden auf der Oberfläche der Tinte an der Ausstoßöffnung 2 erzeugt. Die Oberflächenwellen bewegen sich vom Umfang der Ausstoßöffnung 2 zum Mittelab­ schnitt, überlagern sich am Mittelabschnitt, um ihre Wellenhöhe zu vergrößern, und als Er­ gebnis lösen sich Tintentröpfchen aus der Tintenoberfläche. Die Tinte wird aus der Tinten­ versorgung 6 nach Durchlaufen des Einlasses 1 zur Spritzkammer 5 geführt.

Im folgenden wird diese Erscheinung konzeptionell beschrieben. Läßt man einen Wassertropfen auf eine unbewegliche Wasseroberfläche fallen, dehnt sich eine ringförmige Oberflä­ chenwelle aus, deren Mitte der Aufprallpunkt des Wassertropfens ist. Eine umgekehrte Er­ scheinung zu diesem Phänomen tritt auf der Tintenoberfläche an der Spritzöffnung 2 der Erfindung auf. Bei Erzeugung von Oberflächenwellen, die zur Mitte der Ausstoßöffnung 2 vom Umfang der Öffnung 2 gerichtet sind, konzentrieren sich die Wellen auf die Mitte der Ausstoßöffnung 2, und Tintentröpfchen lösen sich aus der Tintenoberfläche.

Fig. 5 ist eine Aufbauzeichnung, zur Erläuterung des Öffnungsabschnitts einer Druckvorrich­ tung, die mit mehreren Ausstoßvorrichtungen für Tintentröpfchen versehen ist. Gemäß Fig. 5 kann durch Anordnen mehrerer Ausstoßöffnungen 2 von Tröpfchenausstoßvorrichtungen 14i bis 14n und Steuern des Tintenausstoßes jeder Ausstoßöffnung 2 das Papier bedruckt werden, das an der Vorderseite der Ausstoßöffnung 2 in Pfeilrichtung durchläuft. Auf diese Weise kann der Kopf der Druckvorrichtung gebildet sein.

Mit einer Vorrichtung gemäß der neuen Theorie kann ein Tröpfchen mit einem kleineren Durchmesser als dem einer Ausstoßöffnung ausgestoßen werden. Auch wenn eine Aus­ stoßöffnung mit einem großen Durchmesser durch Grobeinstellung einer Bearbeitungsge­ nauigkeit gebildet ist, kann daher mit hoher Auflösung durch Ausstoßen kleiner Tröpfchen gedruckt werden. Das heißt, eine hochauflösende Vorrichtung läßt sich billig und leicht be­ reitstellen. Da der Durchmesser einer Ausstoßöffnung erhöht werden kann, kommt es au­ ßerdem nicht so leicht zum Verstopfen mit Tinte, und eine Vorrichtung paßt sich leicht an Änderungen in der Umgebung an. Damit wird der verfügbare Temperatur- und Feuchtig­ keitsbereich erweitert. Überdies sind ausgezeichnete Merkmale gegeben, u. a. die Tatsache, daß Anforderungen an die Zusammensetzung einer Flüssigkeit nicht so streng sind, weshalb die Flüssigkeit auf verschiedene Tintenarten angewendet sein kann.

Die EP 0159 188 A2 beschreibt ein Verfahren für den Betrieb eines Tintenstrahldruckers mit hoher Auflösung. Dabei wird das Volumen einer Tintenkammer sehr schnell vergrößert, wo­ bei ein Tintenmeniskus von einer Öffnung in die Tintenkammer hineinbewegt wird. Dabei werden Resonanzen auf der Oberfläche der Flüssigkeit angelegt, und ein Tintentröpfchen löst sich vom Meniskus und wird durch die Öffnung ausgestoßen.

Im Rahmen der Erfindung wurden verschiedene Prüfungen an der Tröpfchenspritzvorrich­ tung gemäß der neuen Theorie durchgeführt. Durch diese Prüfungen bestätigte sich, daß die Tröpfchenausstoßvorrichtung gemäß der Theorie bemerkenswert wirksam war. Als Standard ist bei einer praktischen Druckvorrichtung eine Mindestauflösung von etwa 300 dpi (Punkte je Inch) oder mehr gefordert, um japanische Zeichen in guter Qualität zu drucken. Im Fall der vorliegenden Erfindung richteten sich fortgesetzte Untersuchungen auf die Ent­ wicklung einer praktischen Druckvorrichtung mit einer Auflösung von mindestens 300 dpi.

Hierbei besteht zur Bereitstellung einer praktischen Vorrichtung das wichtigste Problem darin, Oberflächenwellen auf der Oberfläche einer Ausstoßöffnung zu bilden, anstatt eine Spritzflüssigkeit direkt aus der Ausstoßöffnung abzugeben. Zudem ist ein wichtiges Problem, wie die Oberflächenwellen unter Umweltbedingungen, u. a. Praxistemperatur und Feuchtig­ keit, konstant stabil erzeugt werden. Zur Lösung der Probleme muß die Technik zum Steu­ ern des auf die Hauptkammer ausgeübten Drucks berücksichtigt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Steuerung des auf die Hauptkammer ausge­ übten Drucks zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch eine Tröpfchenausstoßvorrichtung mit den Merkmalen nach An­ spruch 1 gelöst.

Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Gekennzeichnet ist die Erfindung durch die Verwendung eines Einzelimpulses mit einer Im­ pulsbreite "t" von höchstens 100 µs als den an der Druckbeaufschlagungseinrichtung anzu­ legenden Impuls, wenn der Durchmesser der Spritzöffnung mindestens das 1,25-fache ei­ nes gewünschten Tröpfchendurchmessers beträgt. Entsprechend den Ergebnissen von Prüfungen ist bevorzugt, daß die Impulsbreite "t" höchstens 50 µs beträgt. Die Impulsbreite "t" kann auf verschiedene Werte eingestellt sein. Hierbei entspricht eine Impulsbreite der Zeit bis zur Rückkehr der Flüssigkeit in der Kammer zum Normalzustand, nachdem sie unter Druck gesetzt wurde.

Zur Entwicklung einer praktischen Vorrichtung für die Tröpfchenausstoßvorrichtung gemäß der in der älteren Anmeldung offenbarten neuen Theorie wurden im Rahmen der Erfindung verschiedene Prüfungen zum Wert der an der Druckbeaufschlagungseinrichtung anzule­ genden Impulsbreite "t" durchgeführt. Das heißt, gemäß der vorstehenden Beschreibung erfordert ein idealer Punktdurchmesser auf einem Druckmedium mit einer erwünschten Auf­ lösung von 300 dpi eine Düse, die um etwa das √2-fache größer als ein Punktabstand ist, und dieser Wert entspricht etwa 120 µm. Außerdem ließ sich experimentell erkennen, daß die Beziehung zwischen Punktdurchmesser und Tröpfchendurchmesser auf einer Aufzeich­ nung von den Rennwerten eines Druckmediums oder der Geschwindigkeit eines ausgesto­ ßenen Tröpfchens abhängt. Zudem wurde experimentell festgestellt, daß sich die Ge­ schwindigkeit eines ausgestoßenen Tröpfchens entsprechend der Zusammensetzung einer Flüssigkeit nicht stark ändert, solange der neuen Theorie gefolgt wird. Somit wurde festge­ stellt, daß durch Bilden von Oberflächenwellen, um Tröpfchen aus der Flüssigkeitsoberflä­ che zu lösen, die Geschwindigkeit der ausgestoßenen Tröpfchen ein nahezu konstanter Wert wird (z. B. etwa 3 bis 10 m/s bei Erwärmung einer für Experimente verwendeten Schreibtinte auf eine etwa 30°C über der Raumtemperatur liegende Temperatur) und die praktische Geschwindigkeit der ausgestoßenen Tröpfchen auch dann etwa 4 m/s wird, wenn die durch die Druckbeaufschlagungseinrichtung auszuübende Energie geändert oder eine Ausstoßöffnung mit einem anderen Durchmesser verwendet wird. Zur Bildung eines Druck­ punkts mit 120 µm Durchmesser auf gestrichenem Papier unter der genannten Bedingung muß ein Tröpfchen mit etwa 60 bis 70 µm Durchmesser ausgestoßen werden. Beobachtet wurde, wie sich Tröpfchendurchmesser änderten, indem die an der Druckbeaufschlagungs­ einrichtung anzulegende Impulsbreite "t" geändert wurde, um ein Tintentröpfchen mit einem Durchmesser von etwa 60 bis 70 µm auszustoßen. Als Ergebnis wurde festgestellt, daß ein nahezu gewünschter Tröpfchendurchmesser durch Einstellen der Impulsbreite "t" auf höch­ stens 100 µs erhalten wird, und ferner wurde festgestellt, daß es stärker bevorzugt ist, die Impulsbreite "t" auf höchstens 50 µs einzustellen.

Möglich ist, die Impulsbreite "t" auf verschiedene Werte im Verlauf von Betriebsabläufen ein­ zustellen. Dadurch kann der Tintentemperatur und zudem der Änderung von Umgebungsbe­ dingungen entsprochen und der praktische Tröpfchendurchmesser durch Ändern der Im­ pulsbreite "t" geändert werden.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der Vorrichtung einer Ausführungsform der Er­ findung;

Fig. 2 ist eine Darstellung des Punktdurchmessers und des Punktabstands bei einer Auflösung von 300 dpi;

Fig. 3 ist eine Darstellung der Beziehung zwischen Anlegezeit "t" eines am piezoelektrischen Aktor anzulegenden Einzelimpulses und Tröpfchendurchmesser;

Fig. 4 ist eine schematische Darstellung des Aufbaus einer Tröpfchenausstoßvorrichtung; und

Fig. 5 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Düsenabschnitts einer Schreib- und Aufzeichnungsvorrichtung, die mit mehreren Tröpfchenspritzvorrich­ tungen versehen ist.

Im folgenden wird der Aufbau der ersten Ausführungsform der ersten Erfindung anhand von Fig. 1 beschrieben.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein am piezoelektrischen Aktor 4 zum An­ steuern der Schwingplatte 3 anzulegender Impuls ein Einzelimpuls mit einer Impulsbreite "t" von höchstens 100 µs, besser von höchstens 50 µs ist. Die Impulsbreite "t" stellt eine Anle­ gezeit der Ansteuerspannung dar, die gleich der Zeit ist, bis die Schwingplatte 3 nach Druck auf die Flüssigkeit eine Flüssigkeit zurückführt. In der Ausführungsform dieser Erfindung kommt ein monostabiler Multivibrator 7 zum Einsatz, der Breiten eines Einzelimpulses durch einen Zeitkonstanten-Steuerbereich 8 ändern kann.

Für eine Druckvorrichtung ist eine Mindestauflösung von 300 dpi und mehr aus Sicht einer verbesserten Bildqualität erforderlich, und ein idealer Punktdurchmesser auf einer Aufzeich­ nung bei 300 dpi erfordert das etwa √2-fache des Punktabstands von 84,7 µm, wobei dieser Wert etwa 120 µm entspricht (Fig. 2). Die Beziehung zwischen Punktdurchmesser und Tröpfchendurchmesser auf einem Druckmedium ändert sich durch die Rennwerte eines Druckmediums oder die Geschwindigkeit des ausgestoßenen Tröpfchens. Bei der Tröpf­ chenausstoßvorrichtung der Ausführungsform der Erfindung beträgt die Geschwindigkeit der Ausstoßflüssigkeit etwa 4 m/s, da eine Drucktinte verwendet wird. Um also einen Punkt mit 120 µm dem Durchmesser auf gestrichenem Papier zu erzeugen, muß ein Tröpfchen mit einem Durchmesser von etwa 60 bis 70 µm abgegeben werden.

Durch Verwendung von Tinte leicht aufnehmendem Papier oder durch Senken der Ge­ schwindigkeit des Tröpfchenausstoßes auf 4 m/s oder darunter kann der Durchmesser eines Tröpfchens weiter verringert werden. Bei der Tröpfchenausstoßvorrichtung zum Ausstoßen von Tröpfchen gemäß einer Überlagerung von Oberflächenwellen einer Ausführungsform der Erfindung ist indes eine Geschwindigkeit der Ausstoßflüssigkeit von etwa 4 m/s geeig­ net. Um also Daten auf unbehandeltem Papier oder gestrichenem Papier mit einer Auflösung von mindestens 300 dpi zu drucken, kann ein Tröpfchen mit einem Durchmesser von höchstens 60 bis 70 µm abgegeben werden.

Allgemein hat die für eine Tröpfchenausstoßvorrichtung verwendete Tinte eine Viskosität von 1,5 bis 5 cP bei Tinte auf Wasserbasis, eine Viskosität von 8 bis 15 cP bei Tinte auf Öl­ basis und eine Viskosität von 8 bis 15 cP bei Heißschmelztinte. Jede dieser Tinten hat eine Oberflächenspannung von 10 bis 70 dyn/cm. Mit einer Tinte mit diesen Eigenschaften wurde eine Prüfung durchgeführt. Hierbei betrug der Durchmesser der Ausstoßöffnung 2 einer für die Prüfung verwendeten Vorrichtung 100 µm, und der Kegelwinkel der Wandfläche zur Ebene senkrecht zur Ausstoßrichtung der Hauptkammer 5 betrug 60°. Die Prüfung erfolgte bei Raumtemperatur. Die Temperatur der Tinte war auf einen Wert von etwa 30°C über der Raumtemperatur eingestellt, so daß die Tinte durch die Umgebung nicht ohne weiteres be­ einflußt wurde.

Fig. 3 zeigt das Ergebnis dieser Prüfung. Die Wellenform des Einzelpulses ist nahezu si­ nusförmig. Die Impulsbreite "t" ist auf der x-Achse dargestellt, und die y-Achse zeigt den durch den Impuls erzeugten Tröpfchendurchmesser. Als Ergebnis wurde festgestellt, daß ein Tröpfchendurchmesser von 60 bis 70 µm dem erhalten wird, wenn die Impulsbreite "t" 50 µs beträgt. Bei einer Anlegezeit "t" von 20 µs las konnte ein Tröpfchendurchmesser von 40 bis 50 µm erhalten werden. Beträgt die Anlegezeit "t" 10 µs, ließ sich ein Tröpfchendurch­ messer von 30 bis 40 µm erhalten, ein Tröpfchendurchmesser von 25 bis 30 µm konnte bei 5 µs Anlegezeit "t" erhalten werden, ein Tröpfchendurchmesser von 15 bis 20 µm bei 2 µs Anlegezeit "t" und ein Tröpfchendurchmesser von 10 bis 15 µm bei 1 µs Anlegezeit "t".

Festgestellt wurde somit, daß zur Realisierung einer Schreibvorrichtung mit einer Mindest­ auflösung von 300 dpi eine anzulegende Impulsbreite "t" von höchstens 100 µs zweckmäßig ist, wobei eine Impulsbreite "t" von höchstens 50 µs stärker bevorzugt ist.

Durch ändern von Impulsbreiten lassen sich zudem Tröpfchendurchmesser ändern. Somit kann ein Punktdurchmesser mit einer anzulegenden Impulsbreite gesteuert werden, um ei­ nen Halbton zu realisieren.

Wie zuvor beschrieben wurde, kann durch die Erfindung eine kompakte, handliche und hochauflösende Tröpfchenspritzvorrichtung realisiert werden. Da durch die Erfindung zudem Tröpfchen mit einem kleineren Durchmesser als dem Durchmesser der Spritzöffnung ausgestoßen werden können, läßt sich die Bearbeitungsgenauigkeit der Spritzöffnung senken und die Spritzöffnung billig herstellen. Da zudem die Spritzöffnung groß ist, wird Tinte nicht ohne weiteres hart, und Defekte infolge von Tintenverstopfung gehen stark zurück. Somit lassen sich durch die Erfindung praktische Druckvorrichtungen mit einer Auflösung von min­ destens 300 dpi billig vermarkten. Außerdem kann eine Tröpfchenspritzvorrichtung realisiert werden, die breite Anwendung als Vorrichtung zur Bildung eines leitenden Films einer klei­ nen elektrischen Schaltung oder integrierten Schaltung finden und für den Kleindruck ge­ nutzt werden kann.

Claims (5)

1. Tröpfchenausstoßvorrichtung mit einer Kammer (5) mit einer Wandfläche, einer Einlaß­ öffnung (1) und einer Ausstoßöffnung (2) sowie einer Druckbeaufschlagungseinrich­ tung (3) zum Ausüben eines Drucks auf die in die Kammer (5) eingeleitete Flüssigkeit, zum Ausstoßen von Tröpfchen durch Bilden von Oberflächenwellen auf der im Niveau der Ausstoßöffnung (2) liegenden Oberfläche der Flüssigkeit, welche Oberflächenwellen sich zu einem Mittelabschnitt der Ausstoßöffnung (2) hin bewegen, sich dort überlagern und dadurch die Tröpfchen ausstoßen, deren Durchmesser kleiner ist als der Durch­ messer der Ausstoßöffnung (2), wobei

• - die Form der Kammer (5) zum Erzeugen dieser Oberflächenwellen mit dem Druck und Ausstoßen dieser Tröpfchen angepaßt ist,
• - ein an der Druckbeaufschlagungseinrichtung (3) anzulegender Impuls ein Einzel­ impuls mit einer Impulsbreite "t" kleiner als 100 µs ist.

2. Tröpfchenausstoßvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Impulsbreite "t" höchstens 50 µs beträgt.

3. Tröpfchenausstoßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Impulsbreite "t" varia­ bel eingestellt ist.

4. Tröpfchenausstoßvorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Einzelimpuls durch einen monostabilen Multivibrator (7) erzeugt wird.

5. Tröpfchenausstoßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei vorgesehen ist, die Oberflächenwellen am Umfang der Ausstoßöffnung (2) auszubilden.