DE2858823C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vor­ richtung zur Flüssigkeitsstrahlaufzeichnung und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung, bei welchem eine Auf­ zeichnungsflüssigkeit in einem Tröpfchenzustand zu einer Flugbewegung gebracht bzw. bewegt wird.

Aus der DE-OS 21 64 614 ist ein Verfahren zum Ausstoßen von Flüssigkeitströpfchen aus Ausstoßöffnungen einer Aufzeich­ nungsvorrichtung bekannt, bei dem die Flüssigkeitströpfchen durch Blasenbildung in der Flüssigkeit infolge Erhitzen von in jeweils einem mit einer Ausstoßöffnung in Verbindung ste­ henden Erwärmungskammerabschnitt angeordneten Heizeinrich­ tungen erzeugt werden, wobei die Heizeinrichtungen mit der Flüssigkeit thermisch in Kontakt stehen und zur wiederholten Tröpfchenbildung wiederholt betätigt werden.

Elsner, Norbert: "Grundlagen der Technischen Thermodynamik", Bertelsmann Universitätsverlag, 1973, Seiten 550 bis 557 be­ zieht sich auf Heizflächenbelastungen und Wärmeübergangsko­ effizienten bei der Verdampfung von beispielsweise Wasser und geht dabei auf die Bereiche des Filmsiedens und des Blasen­ siedens ein.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungsverfahren und eine Flüssig­ keitsstrahl-Aufzeichnungsvorrichtung derart weiterzubilden, daß wesentlich verbesserte Ausstoßeigenschaften, eine wirkungs­ volle Energieübertragung und günstige Ansprecheigenschaften erzielt werden können.

Diese Aufgabe wird im Hinblick auf das Verfahren durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen und im Hinblick auf die Vorrichtung durch eine Vorrichtung mit den im Patentanspruch 4 ange­ gebenen Merkmalen gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungs­ beispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher er­ läutert.

Fig. 1 bis 4 sind Ansichten eines Aus­ führungsbeispiels eines Mehrfach-Düsenöffnungs- Aufzeichnungskopfes, wobei die Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht ist, die Fig. 2 eine schematische Vorderansicht ist, die Fig. 3 eine Teilschnittansicht ent­ lang der Linie X1-Y1 in Fig. 1 ist und den Innenaufbau zeigt und die Fig. 4 eine Teil­ schnittansicht entlang der Linie X2-Y2 in Fig. 3 ist.

Fig. 5 ist eine graphische Darstellung des Zusammen­ hangs zwischen der Energieübertragung und der Temperaturdifferenz ΔT zwischen der Oberflächen­ temperatur eines Heizelements und der Siedetemperatur einer Flüssigkeit.

In Fig. 1 ist ein Aufzeichnungskopf 104 mit sieben Düsenöffnungen 105 versehen, was jedoch nur der Verdeut­ lichung gilt, wobei aber die Anzahl der Düsenöffnungen nicht darauf beschränkt ist und beliebig auf eine ge­ wünschte Anzahl gewählt werden kann. Ferner kann der Mehrfachdüsenöffnungs-Aufzeichnungskopf eine Mehrreihen­ anordnung von Düsenöffnungen anstelle der in Fig. 1 gezeigten Einzelreihenanordnung erhalten.

Der in Fig. 1 gezeigte Aufzeichnungskopf 104 ist aus einer Grundplatte 106 und einer Deckplatte 107 zu­ sammengesetzt, welche mit sieben Nuten versehen ist und deren genutete Fläche an einem vorderen Endbereich der Grundplatte 106 so befestigt ist, daß sieben Düsen und dementsprechend sieben am Vorderende liegende Düsen­ öffnungen 105 gebildet sind.

108 ist ein Versorgungskammerdeckel, der in Zusammen­ wirkung mit der Deckplatte 107 eine gemeinsame Versor­ gungskammer 118 für die Zufuhr des flüssigen Aufzeich­ nungsmittels zu den sieben Düsen bildet, wobei die Versorgungskammer 118 mit einem Rohr 109 für die Auf­ nahme der Flüssigkeit aus einem (nicht gezeigten) äußeren Flüssigkeitsbehälter versehen ist.

An der Oberfläche des hinteren Rands der Grundplatte 106 sind zur Verbindung mit äußeren elektrischen Vorrich­ tungen Zuleitungskontakte angebracht, die mit einer gemeinsamen Elektrode 110 und Wählelektroden 111 von elektrothermischen Wandlern verbunden sind, welche jeweils an den sieben Düsen angebracht sind.

An der hinteren Fläche der Grundplatte 106 ist ein Kühlkörper 112 zur Verbesserung des Ansprechens der elektrothermischen Wandler angebracht, der jedoch wegge­ lassen werden kann, wenn die Grundplatte 106 selbst diese Funktion ausführt.

Die Fig. 2 zeigt den Aufzeichnungskopf 104 nach Fig. 1 in Seitenansicht; um insbesondere die Anordnung der Ausstoß-Düsenöffnungen 105 zu verdeutlichen.

Bei dem Aufzeichnungskopf 104 können die Düsenöff­ nungen 105, obgleich sie als ungefähr halbkreisförmig dargestellt sind, auch andere Formen wie Rechteckform oder Kreisform und dergleichen haben, wobei die Form in geeigneter Weise entsprechend der Zweckdienlichkeit bei der mechanischen Bearbeitung gewählt wird.

Der Aufzeichnungskopf 104 der Aufzeichnungsvorrich­ tung erlaubt es, auf einfache Weise einen Mehrdüsen­ öffnungen-Aufbau mit hoher Dichte bzw. Gedrängtheit zu erzielen, da die einfache Gestaltung die Anwendung von Ultra-Mikrobearbeitungstechnologie zur Minimalisierung der Abmessungen der Düsenöffnungen 105 und der Abstände dazwischen zuläßt. Folglich ist es auf leichte Weise möglich, eine hohe Auflösung des Aufzeichnungskopfs und dementsprechend des aufgezeichneten Bilds zu erzielen. Beispielsweise kann mit bestimmten Köpfen, die bisher auf diese Weise hergestellt wurden, eine Auflösung von zehn Zeilenpunkten je mm erzielt werden.

Die Fig. 3 ist eine Teilquerschnittsansicht entlang der Linie X1-Y1 in Fig. 1 und zeigt den Innenaufbau des Aufzeichnungskopfs 104, und insbesondere den Auf­ bau eines elektrothermischen Wandlers 113 und des Flüs­ sigkeits-Strömungswegs im Aufzeichnungskopf.

Der elektrothermische Wandler 113 ist im wesentlichen aus einem Wärmeerzeugungs-Widerstand 115, der an einer gegebenenfalls beispielsweise durch Aufdampfung oder Plattierung an der Grundplatte 106 angebrachten Wärme­ ansammlungs-Schicht 114 angebracht ist, und einer gemein­ samen Elektrode 110 sowie einer Wählelektrode 111 ge­ bildet, die beide zur Stromversorgung des Widerstands 115 dienen, wobei auf dem Wandler nötigenfalls unter Umständen eine Schutzisolierschicht 116 angebracht ist, die einen elektrischen Leckstrom zwischen den Elektroden über die Flüssigkeit, eine Verschmutzung der Elektroden 110 und 111 sowie des Widerstands 115 durch die Flüssig­ keit 117 und/oder eine Oxidation des Widerstands 115 ver­ hindert.

Die in dem von der Deckplatte 107, dem Versorgungs­ kammerdeckel 108 und der Grundplatte 106 eingeschlossenen Raum gebildete Versorgungskammer 118 steht in Verbindung mit einer jeden der durch die Grundplatte 106 und die Deckplatte 107 gebildeten sieben Düsen und weiter mit dem Rohr 109, über das von außen zugeführte Flüssigkeit zu einer jeden der Düsen geführt wird. Die Versorgungskammer 118 soll ferner mit einem derartigen Volumen und einer derartigen Form ausgelegt sein, daß sie dann, wenn eine in dem Erwärmungskammerabschnitt Δl einer jeweiligen Düse entwickelte Rückwärtswelle nicht innerhalb der je­ weiligen Düse abgeschwächt werden kann und zur Versorgungs­ kammer übertragen wird, gegenüber einer derartigen Rück­ wärtswelle einen ausreichenden Widerstand hat, um eine wechselseitige Störung bei den Ausstößen aus verschiedenen Düsen zu verhindern.

Obgleich bei dem dargestellten Aufzeichnungskopf 104 die Versorgungskammer 118 durch den von der Deckplatte 107, den Deckel 108 und der Grundplatte 106 umschlossenen Raum gebildet ist, kann die Versorgungskammer auch durch den von dem Kammer-Deckel 108 und der Grundplatte 106 umgebenen Raum oder einen ausschließlich von dem Kammer- Deckel 108 umgebenen Raum gebildet sein.

Im Hinblick auf die einfache Bearbeitung und den einfachen Zusammenbau sowie auch die erwünschte Bearbei­ tungsgenauigkeit ist jedoch der Aufzeichnungskopf 104 mit dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau vorzuziehen.

Die Fig. 4 ist eine Teilschnittansicht entlang der Linie X2-Y2 in Fig. 3 und zeigt den ebenen Aufbau bzw. Flächenaufbau der bei dem Aufzeichnungskopf 104 verwendeten elektrothermischen Wandler 113.

An der Grundplatte 106 sind jeweils den sieben Düsen entsprechend sieben elektrothermische Wandler 113-1, 113-2, . . ., 113-7 einer vorbestimmten Größe und Form angebracht; die gemeinsame Elektrode 110 ist an einem Teil der Düsen am Düsenöffnungs-Ende in jeweiligen elektrischen Kontakt mit den sieben Widerständen 115-1, 115-2, . . ., 115-7 angebracht und umgibt mit einem Kon­ taktzuführungsbereich die sieben parallelen Düsen, um dadurch den elektrischen Anschluß an eine externe Schal­ tung zu ermöglichen.

Die sieben Widerstände 115 sind jeweils mit den Wählelektroden 111-1, 111-2, . . ., 111-7 entlang des Flüssigkeits-Strömungswegs versehen.

Die elektrothermischen Wandler 113, die bei dem dargestellten Aufzeichnungskopf 104 an der Grundplatte 106 angebracht sind, können stattdessen an der Deckplatte 107 angebracht sein. Ferner können die Nuten zur Bildung der Düsen, die bei dem darstellten Aufbau in der Deck­ platte 107 ausgebildet sind, stattdessen in der Grund­ platte 106 oder sowohl in der Deckplatte 107 als auch in Grundplatte 106 ausgebildet sein. Wenn die Nuten in der Grundplatte 106 ausgebildet sind, werden zur einfachen Herstellung die elektrothermischen Wandler vorzugsweise an der Deckplatte 107 angebracht.

Gemäß Fig. 5 beginnt auf das Anlegen einer Impuls­ spannung zwischen den Elektroden 110 und 111 der Wider­ stand 115 Wärme zu erzeugen, die über die Schutzschicht 116 zu der in dem Erwärmungskammerabschnitt Δl enthaltenen Flüssigkeit übertragen wird. Durch die Aufnahme der Wärmeenergie erreicht die Flüssigkeit zumindest eine Temperatur der internen Gasbildung, so daß Bläschen in den Erwärmungskammerabschnitt Δl erzeugt werden. Die sich aus der Bläschenbildung ergebende Volumensteigerung legt einen Druck an die näher an der Düsenöffnung liegende Flüssigkeit an, der größer als die Oberflächenspannung der Flüssigkeit an der Düsenöffnung 105 ist; dadurch erfolgt ein Ausstoß von Tröpfchen aus der Düsenöffnung 105. Zugleich mit dem Abfallen der Impulsspannung beendet der Widerstand 115 die Wärmeerzeugung, so daß die er­ zeugten Bläschen sich in ihrer Größe zusammenziehen und verschwinden, während die ausgestoßene Flüssigkeit durch neu zugeführte Flüssigkeit ersetzt bzw. nachgefüllt wird. Die Bildung und das Verschwinden der Bläschen wird in dem Erwärmungskammerabschnitt Δl im Ansprechen auf aufeinanderfolgendes Anlegen von Impulsspannungen zwischen die Elektroden 110 und 111 auf die vorstehend beschrie­ bene Weise wiederholt, wodurch ein Ausstoß von Tröpfchen aus der Düsenöffnung 105 entsprechend einem jeweiligen Anlegen der Impulsspannung erzielt wird.

Die Schutzschicht 116 braucht nicht unbedingt iso­ lierend zu sein, wenn die Flüssigkeit 117 einen elektri­ schen Widerstand hat, der beträchtlich höher als derjenige des Widerstands 115 ist, und daher selbst dann keinen elektrischen Leckstrom zwischen den Elektroden 10 und 111 verursacht, wenn die Flüssigkeit zwischen den Elektroden ist; die Schutzschicht braucht dann nur andere Erfordernisse erfüllen, von welchen die wichtigste die Eigenschaft ist, die wirksame Übertragung der mittels des Widerstands 115 erzeugten Wärme zu dem Erwärmungskammer­ abschnitt Δl auf ein Maximum zu bringen.

Das Material und die Stärke der Schutzschicht werden so gewählt, daß die den vorangehend genannten Erforder­ nissen zusätzlich zu der vorstehend erläuterten Eigen­ schaft entsprechenden Eigenschaften erzielt werden.

Beispiele für brauchbares Material zur Ausbildung der Schutzschicht 116 sind Siliciumoxid, Magnesiumoxid, Aluminiumoxid, Tantaloxid, Zirkoniumoxid usw., die in Form einer Schicht beispielsweise durch Elektronenstrahl­ aufdampfung oder -besprühung abgelagert werden können. Ferner kann die Schicht einen Mehrschichtenaufbau mit zwei oder mehr Schichten haben. Die Dicke der Schicht wird durch unterschiedliche Faktoren wie das verwendete Material, das Material, die Form und die Abmessung des Widerstands 115, das Material der Grundplatte 106, die Wärmeübertragung vom Widerstand 115 zu der in dem Erwärmungskammerabschnitt Δl enthaltenen Flüssigkeit, den für den Widerstand 115 erforderlichen Oxidations­ schutz, den für den Widerstand 115 notwendigen Schutz gegen Eindringen von Flüssigkeit, die elektrische Iso­ lation usw. bestimmt und wird üblicherweise in einem Bereich von 0,01 bis 10 µm, vorzugsweise in einem Bereich von 0,1 bis 5 µm und am günstigsten in einem Bereich von 0,1 bis 3 µm gewählt.

Für eine wirkungsvollere Zuführung der mittels des Widerstands entwickelten Wärmeenergie zu der in dem Erwärmungskammerabschnitt Δl enthaltenen Flüssigkeit und dadurch zur Verbesserung des Ansprechens, sowie ferner für einen beständigen kontinuierlichen Ausstoß der Flüssigkeit für eine lange Zeitdauer und für ein Erzielen einer zufriedenstellenden Übereinstimmung des Flüssigkeitsausstoßes selbst bei Ansteuerung des Wider­ stands 115 mit einer hohen Ansteuerungsfrequenz werden die Wärmeansammlungsschicht 114 und die Grundplatte 106 zur weiteren Verbesserung der Leistungsfähigkeit des Wärmeerzeugungs-Widerstands 115 vorzugsweise in folgender Weise gestaltet:

Die Fig. 5 zeigt den allgemeinen Zusammenhang zwischen der Differenz ΔT zwischen der Oberflächentemperatur TR des Widerstands und dem Siedepunkt Tb der Flüssigkeit in Auftragung auf der Abszisse und der von dem Widerstand zur Flüssigkeit übertragenen Wärmeenergie ET in Auftra­ gung auf der Ordinate. Wie aus dieser graphischen Darstel­ lung deutlich ersichtlich ist, erfolgt die Energieüber­ tragung zur Flüssigkeit wirkungsvoll in einem Temperatur­ bereich um einen Punkt D herum, bei dem die Oberflächen­ temperatur TR des Widerstands einige zehn Grad höher als der Siedepunkt Tb der Flüssigkeit ist, während die Energieübertragung weniger wirkungsvoll in einem Bereich um einen Punkt E herum wird, bei dem die Oberflächen­ temperatur TR annähernd 100°C höher als die Siedetempe­ ratur Tb ist, und zwar deshalb, weil die plötzliche bzw. schnelle Bläschenbildung zwischen dem Widerstand und der Flüssigkeit die Wärmeübertragung zwischen diesen behindert.

Zur Verbesserung des Ausstoßungswirkungsgrads, des An­ sprechens und der Frequenzeigenschaften ist es daher anzustreben, zur Erzielung einer sofortigen bzw. plötz­ lichen und wirkungsvollen Energieübertragung auf die der Oberfläche des Widerstands nahe Flüssigkeit und zum Vermeiden von Übertragung an die in anderen Bereichen vorhandene Flüssigkeit die Erwärmungsperiode auf einen durch die Kurve A-B-C-D-E dargestellten Bereich zu verkleinern und die ursprüngliche Temperatur sofort wieder zu erreichen, sobald die Wärmeerzeugung beendet ist.

Aufgrund der vorstehenden Betrachtungen sollte die Wärmeansammlungsschicht 114 so arbeiten, daß sie eine Wärmediffusion zu der Grundplatte 106 verhindert, wenn die durch den Widerstand 115 erzeugte Wärme zur Er­ zielung einer wirksamen Wärmeübertragung zu der in dem Erwärmungskammerabschnitt Δl enthaltenen Flüssigkeit erforderlich ist, und daß sie eine Wärmediffusion zu der Grundplatte 106 hin verursacht, wenn die Wärme nicht erforderlich ist.

Claims (11)

1. Verfahren zum Ausstoßen von Flüssigkeitströpfchen aus Aus­ stoßöffnungen einer Aufzeichnungsvorrichtung, bei dem die Flüssigkeitströpfchen durch Blasenbildung in der Flüssigkeit infolge Erhitzen einer in jeweils einem mit jeweils einer Ausstoßöffnung in Verbindung stehenden Erwärmungskammerab­ schnitt angeordneten Heizeinrichtung erzeugt werden, wobei die Heizeinrichtungen mit der Flüssigkeit in Berührung stehen und zur wiederholten Tröpfchenbildung wiederholt betätigt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturen der Heizeinrichtungen bei jeder Betäti­ gung bis zu einem Wert angehoben werden, der über der maxi­ malen Temperatur liegt, bei der die Flüssigkeit lediglich einem Blasensieden unterworfen ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Volumenverringerung der Blasen nach jedem Tintenausstoß eine Flüssigkeitsmenge in den Erwärmungskammerabschnitt nachgeführt wird, die der ausgestoßenen Menge entspricht.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch gleichzeitigen Betrieb von Heizeinrichtungen einer Mehrzahl von Erwärmungskammerabschnitten eine Mehrzahl von Tröpfchen auf einen Aufzeich­ nungsträger auf voneinander beabstandeten Pfaden gerichtet sind.

4. Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit

• - einem Aufzeichnungskopf (104) mit einer Mehrzahl von Er­ wärmungskammerabschnitten (Δl), in denen jeweils eine Heizeinrichtung (113) angeordnet ist und die mit jeweils einer Ausstoßöffnung (105) verbunden sind,
• - einer Schalteinrichtung zum Versorgen der Heizeinrichtun­ gen (113) mit elektrischen Signalen derart, daß sie zur Erzie­ lung einer Aufzeichnung die Flüssigkeit (117) in Form von nacheinander fliegenden Tröpfchen aus den Ausstoßöffnun­ gen (105) ausgestoßen wird,

dadurch gekennzeichnet,
daß die Temperaturen (TR) der Heizeinrichtungen (113) bei jeder Betätigung bis zu einem Wert angehoben werden, der über der maximalen Temperatur liegt, bei der die Flüssig­ keit (117) lediglich einem Blasensieden unterworfen ist.

5. Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufzeichnungskopf (104) in eine Richtung senkrecht zur Vorschubeinrichtung eines Aufzeich­ nungsträgers bewegbar ist.

6. Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmungskammerabschnitte (Δl) jeweils im Verlauf von flüssigkeitsführenden Strömungspfaden zwischen einer Einlaß­ öffnung und der Ausstoßöffnung (105) angeordnet sind.

7. Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungspfade verzweigungs­ frei sind.

8. Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssig­ keit (117) eine Tinte ist.

9. Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizein­ richtungen (113) jeweils einen elektrothermischen Wandler enthalten.

10. Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeder elektrothermische Wandler jeweils einen Wärmeerzeugungswiderstand (115) enthält, und daß der Wärmeerzeugungswiderstand (115) auf seiner der Flüssigkeit (117) zugewandten Seite mit einer Schutz­ schicht (116) bedeckt ist.