DE2858824C2 - Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Flüssigkeitsstrahl- Aufzeichnungsvorrichtung zum Ausstoßen von Flüssigkeitströpfchen aus einem Ausstoßabschnitt, wobei eine Aufzeichnungsflüssigkeit tröpfchenweise fliegend ausgestoßen wird.

Bei einer aus DE-OS 21 64 614 bekannten Vorrichtung wird Flüssigkeit aus einem Auslaßkanal zum Ausstoßen fliegender Tröpfchen unter Einsatz einer Druckerzeugungseinrichtung ausgestoßen. Die Druckerzeugungseinrichtung ist in einer Kammer angeordnet, die den Auslaßkanal enthält und in die ein Zulaufkanal mündet, wobei die Druckerzeugungseinrichtung außerhalb und stromaufwärts des direkten Strömungspfades Zulaufkanal-Kammer-Auslaßkanal vorgesehen ist.

Als Druckerzeugungseinrichtung in der Kammer kann ein Heizwiderstand verwendet werden, bei dessen Erhitzung in der Kammer Dampf bzw. Bläschen entstehen, die in der Kammer einen Druckanstieg bewirken, der den Ausstoß eines Tröpfchens aus dem Auslaßkanal verursacht.

JP 51-128 539 zeigt einen Aufzeichnungskopf für einen Thermodrucker, der eine Heizeinrichtung mit einer Mehrzahl von Heizelementen umfaßt. Die ebenen Heizelemente sind Bestandteil einer flachen und planparallelen Platte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Flüssigkeitsstrahl- Aufzeichnungsvorrichtung zum Ausstoßen von Flüssigkeitströpfchen derart weiterzubilden, daß sich bei hoher Packungsdichte der Heizelemente ein guter Wärmeübergang erzielen läßt.

Diese Aufgabe wird durch eine Flüssigkeitsstrahl- Aufzeichnungsvorrichtung mit den Merkmalen nach dem Patentanspruch gelöst.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 bis 4 sind Ansichten eines Mehrfach-Düsenöffnungs- Aufzeichnungskopfes, wobei die Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht, die

Fig. 2 eine schematische Vorderansicht, die

Fig. 3 eine Schnittansicht entlang der Linie X1-Y1 in Fig. 1 und die

Fig. 4 eine Schnittansicht entlang der Linie X2-Y2 in Fig. 3 ist.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist der Aufzeichnungskopf 104 mit sieben Düsenöffnungen 105 versehen, was jedoch nur der Verdeutlichung gilt, wobei aber die Anzahl der Düsenöffnungen 105 nicht darauf beschänkt ist und beliebig auf eine gewünschte Anzahl gewählt werden kann. Ferner kann der Mehrfachdüsenöffnungs-Aufzeichnungskopf 104 eine Mehrreihenanordnung von Düsenöffnungen 105 anstelle der in Fig. 1 gezeigten Einzelreihenanordnung erhalten.

Der Aufzeichnungskopf 104 ist aus einer Grundpplatte 106 und einer Deckplatte 107 zusammengesetzt, 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 Düsenöffnungen 105 gebildet sind.

108 ist ein Versorgungskammerdeckel, der in Zusammenwirkung mit der Deckplatte 107 eine gemeinsame Versorgungskammer 118 für die Zufuhr des flüssigen Aufzeichnungsmittels zu den sieben Düsen bildet, wobei die Versorgungskammer 118 mit einem Rohr 109 für die Aufnahme der Flüssigkeit 117 aus einem (nicht gezeigten) äußeren Flüssigkeitsbehälter versehen ist.

An der Oberfläche des hinteren Rands der Grundplatte 106 sind zur Verbindung mit äußeren elektrischen Vorrichtungen Zuleitungskontakte angebracht, die mit einer gemeinsamen Elektrode 110 und Wählelektroden 111 von elektrothermischen Wandlern 113 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 113 angebracht, der jedoch weggelassen werden kann, wenn die Grundplatte 106 selbst diese Funktion ausführt.

Bei dem Aufzeichnungskopf 104 können die Düsenöffnungen 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 Aufzeichnungsvorrichtung erlaubt es, auf einfache Weise einen Mehrdüsenöffnungen- 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 104 und dementsprechend des aufgezeichneten Bilds zu erzielen. Beispielsweise kann mit bestimmten Köpfen 104, die bisher auf diese Weise hergestellt wurden, eine Auflösung von zehn Zeilenpunkten je mm erzielt werden.

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 Wärmeansammlungs- Schicht 114 angebracht ist, und der gemeinsamen Elektrode 110 sowie der Wählelektrode 111 gebildet, die beide zur Stromversorgung des Widerstands 115 dienen, wobei auf dem Wandler 113 nötigenfalls unter Umständen eine Schutzisolierschicht 116 angebracht ist, die einen elektrischen Leckstrom zwischen den Elektroden 110, 111 über die Flüssigkeit 117 eine Verschmutzung der Elektroden 110 und 111 sowie des Widerstands 115 durch die Flüssigkeit 117 und/oder eine Oxidation des Widerstands 115 verhindert.

Die in dem von der Deckplatte 107, dem Versorgungskammerdeckel 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 117 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, wennn eine in dem Erwärmungskammerabschnitt Δ1 einer jeweiligen Düse entwickelte Rückwärtswelle nicht innerhalb der jeweiligen Düse abgeschwächt werden kann und zur Versorgungskammer 118 übertragen wird, gegenüber einer derartigen Rückwärtswelle 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 118 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 Bearbeitungsgenauigkeit ist jedoch der Aufzeichnungskopf 104 mit dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau vorzuziehen.

Gemäß Fig. 4 sind an der Grundplatte 106 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 jeweiligem elektrischen Kontakt mit den sieben Widerständen 115-1, 115-2, . . ., 115-7 angebracht und umgibt mit einem Kontaktzuführungsbereich die sieben parallelen Düsen, um dadurch den elektrischen Anschluß an eine externe Schaltung 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 statt dessen an der Deckplatte 107 angebracht sein. Ferner können die Nuten zur Bildung der Düsen, die bei dem dargestellten Aufbau in der Deckplatte 107 ausgebildet sind, statt dessen in der Grundplatte 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.

Auf das Anlegen einer Impulsspannung zwischen den Elektroden 110 und 111 beginnt der Widerstand 115 Wärme zu erzeugen, die über die Schutzschicht 116 zu der in dem Erwärmungskammerabschnitt Δ1 enthaltenen Flüssigkeit 117 übertragen wird. Durch die Aufnahme der Wärmeenergie erreicht die Flüssigkeit 117 zumindest eine Temperatur der internen Gasbildung, so daß Bläschen in den Erwärmungskammerabschnitt Δ1 erzeugt werden. Die sich aus der Bläschenbildung ergebende Volumensteigerung legt einen Druck an die näher an der Düsenöffnung 105 liegende Flüssigkeit 117 an, der größer als die Oberflächenspannung der Flüssigkeit 117 an der Düsenöffnung 105 ist; dadurch erfolgt ein Ausstoß von Tröpfchen aus der Düsenöffnung 105. Zugleich mit dem Abfallen der Impulsspannung beendet der Widerstand 15 die Wärmeerzeugung, so daß die erzeugten Bläschen sich in ihrer Größe zusammenziehen und verschwinden, während die ausgestoßene Flüssigkeit 117 durch neu zugeführte Flüssigkeit 117 ersetzt bzw. nachgefüllt wird. Die Bildung und das Verschwinden der Bläschen wird in dem Erwärmungskammerabschnitt Δ1 im Ansprechen auf aufeinanderfolgendes Anlegen von Impulsspannungen zwischen die Elektroden 110 und 111 auf die vorstehend beschriebene 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 isolierend zu sein, wenn die Flüssigkeit 117 einen elektrischen Widerstand hat, der beträchtlich höher als derjenige des Widerstands 115 ist, und daher selbst dann keinen elektrischen Leckstrom zwischen den Elektroden 110 und 111 verursacht, wenn die Flüssigkeit 117 zwischen den Elektroden 110, 111 ist; die Schutzschicht 116 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 Erwärmungskammerabschnitt Δ1 auf ein Maximum zu bringen.

Das Material und die Stärke der Schutzschicht 116 werden so gewählt, daß die den vorangehend genannten Erfordernissen zusätzlich zu der vorstehend erläuterten Eigenschaft 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 Elektronenstrahlaufdampfung oder -besprühung abgelagert werden können. Ferner kann die Schicht 116 einen Mehrschichtenaufbau mit zwei oder mehr Schichten haben. Die Dicke der Schicht 116 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 Δ1 enthaltenen Flüssigkeit, den für den Widerstand 115 erforderlichen Oxidationsschutz, den für den Widerstand 115 notwendigen Schutz gegen Eindringen von Flüssigkeit, die elektrische Isolation 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 115 entwickelten Wärmeenergie zu der in dem Erwärmungskammerabschnitt Δ1 enthaltenen Flüssigkeit 117 und dadurch zur Verbesserung des Ansprechens, sowie ferner für einen beständigen kontinuierlichen Ausstoß der Flüssigkeit 117 für eine lange Zeitdauer und für ein Erzielen einer zufriedenstellenden Übereinstimmung des Flüssigkeitsausstoßes selbst bei Ansteuerung des Widerstands 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 Wärmeansammlungsschicht 114 sollte so arbeiten, daß sie eine Wärmediffusion zu der Grundplatte 106 verhindert, wenn die durch den Widerstand 115 erzeugte Wärme zur Erzielung einer wirksamen Wärmeübertragung zu der in dem Erwärmungskammerabschnitt Δ1 enthaltenen Flüssigkeit 117 erforderlich ist, und daß sie eine Wärmediffusion zu der Grundplatte 106 hin verursacht, wenn die Wärme nicht erforderlich ist; unter Berücksichtigung dieser Erfordernisse werden das Material und die Dicke der Schicht 114 bestimmt. Beispiele für Materialien, die zur Ausbildung dieser Wärmeansammlungsschicht 114 brauchbar sind, sind Silicumoxid, Zirkoniumoxid, Tantaloxid, Magnesiumoxid, Aluminiumoxid usw.; diese Materialien können in Form einer Schicht beispielsweise durch Elektronenstrahl- Aufdampfen oder -Aufsprühen abgelagert werden.

Die Schichtdicke wird in geeigneter Weise entsprechend dem verwendeten Material, dem Material der Grundplatte 106 und des Widerstands 115 usw. so bestimmt, daß die vorstehend genannte Wirkung erzielt wird, und üblicherweise innerhalb eines Bereichs von 0,01 bis 50 µm, vorzugsweise innerhalb eines Bereichs von 0,1 bis 30 µm und am günstigsten innerhalb eines Bereichs von 0,5 bis 10 µm gewählt.

Die Grundplatte 106 wird zur Zerstreuung eines unnötigen Teils der von dem Widerstand 115 erzeugten Wärme aus einem wärmeleitfähigen Material wie einem Metall gebildet. Beispiele für zu diesem Zweck verwendbares Metall sind Al, Cu und rostfreier Stahl, wobei von diesen vorzugsweise Aluminium zu wählen ist.

Die Deckplatte 107 und der Versorgungskammer-Deckel 108 können aus nahezu jedem beliebigen Material gebildet sein, solange dieses nicht oder nicht wesentlich bei der Herstellung oder während der Verwendung des Aufzeichnungskopfes 104 thermisch verformt wird und eine leichte Präzisionsbearbeitung erlaubt, um die gewünschte Genauigkeit der Oberflächen zu erzielen und eine glatte bzw. gleichmäßige Flüssigkeitsströmung in dem durch diese Bearbeitung gebildeten Bahnen zu erreichen.

Typische Beispiele für ein derartiges Material sind Keramikstoffe, Glas, Metalle, Kunststoffe usw., von welchen besonders aufgrund der leichten Bearbeitung und des geeigneten Wärmewiderstands, des geeigneten Wärmeausdehnungskoeffizienten und der geeigneten Wärmeleitfähigkeit Glas und Kunststoffe vorzuziehen sind.

Die Außenfläche um die Düsenöffnungen 105 herum wird vorzugsweise einer Wasserabstoßungs- bzw. Ölabstoßungs-Behandlung unterzogen, wenn die Flüssigkeit 117 wäßrig bzw. nicht-wäßrig ist; damit wird verhindert, daß diese äußere Oberfläche durch die aus der Düsenöffnung 105 auslaufende Flüssigkeit 117 benetzt wird.

Im folgenden wird ein Beispiel zur Herstellung des in Fig. 1 gezeigten Aufzeichnungskopfs 104 angegeben:
Eine Al₂O₃-Grundplatte 106 mit einer Dicke von 0,6 mm wurde einem Bedampfen mit SiO₂ zur Erzielung einer Wärmeansammlungsschicht 114 mit einer Dicke von 3 µm, danach einem Bedampfen mit ZrB₂ in einer Dicke von 80 nm als Wärmeerzeugungswiderstand 115 und mit Al in einer Dicke von 500 nm als Elektroden 110, 111, darauffolgend einem selektiven Photoätzen zur Bildung von sieben Widerständen 115 mit jeweils 400 Ω Widerstand und 50 µm Breite sowie 300 µm Länge hinsichtlich der Abmessungen in Anordnung mit einer Teilung von 250 µm, sowie ferner einem Bedampfen mit SiO₂ zu einer Dicke von 1 µm als isolierende Schutzschicht 116 unterzogen, wodurch die elektrothermischen Wandler 113 fertiggestellt wurden.

Darauffolgend wurden eine Glas-Deckplatte 107, an der mittels eines Mikro-Schneiders bzw. -Fräsers Nuten mit 60 µm Breite und 60 µm Tiefe in einer Teilung bzw. einem Teilungsabstand von 250 µm ausgebildet wurden, und ein Glas-Versorgungskammer-Deckel 108 an die Grundplatte 106 angeklebt, an der die elektrothermischen Wandler 113 auf die vorstehend beschriebene Weise hergestellt worden waren; an die der vorstehend genannten Klebefläche gegenüberliegende Fläche wurde ein Aluminium-Kühlkörper 12 angeklebt.

Da bei diesem Beispiel die erzielten Düsenöffnungen 105 genügend klein waren, wurde kein weiterer besonderer Schritt zur Bildung einer Düsenöffnung 105 mit gewünschtem Durchmesser wie beispielsweise das Anbringen eines gesonderten Teils am Vorderende der Düsen ausgeführt. Es ist jedoch möglich, eine Düsenöffnungsplatte mit Düsenöffnungen 105 gewünschter Form am vorderen Ende der Düsen anzubringen, falls die Düsen einen größeren Durchmesser haben, eine Verbesserung der Ausstoßeigenschaften erwünscht ist oder eine Änderung der Größe der auszustoßenden Tröpfchen erwünscht ist.

Im folgenden ist ein Beispiel der Aufzeichnung mit einem Aufzeichnungskopf 104 mit sieben Düsenöffnungen 105 angegeben, der in Fig. 1 gezeigt ist und auf die im vorangehenden erläuterte Weise hergestellt ist.

Der vorangehend beschriebene Aufzeichnungskopf 104 wurde in eine mit einer Flüssigkeitsausstoß-Steuerschaltung ausgestattete Aufzeichnungsvorrichtung eingesetzt und die Aufzeichnung durch Anlegen von Impulsspannungen an die sieben elektrothermischen Wandler 113 entsprechend den Bildsignalen unter Zufuhr der Flüssigkeit 117 über das Rohr 109 unter einem Druck einer Größe ausgeführt, bei der kein Flüssigkeitsausstoß aus den Düsenöffnungen 105 erfolgt, wenn die Widerstände 115 keine Wärme erzeugen. Auf diese Weise konnte ein klares Bild unter den in der folgenden Tabelle 1 angegebenen Bedingungen erzielt werden:

Steuerspannung|20 V
Impulsbreite	100 µs
Frequenz	1 kHz
Aufzeichnungsempfangsmaterial	Bankpostpapier (Seven Star A 28,5 kg; Hokuetsu Paper)
Aufzeichnungsflüssigkeit	Wasser 68 g
	Äthylenglykol 30 g
	Direktechtschwarz 2 g
	(Sumitomo Chemical Ind.)

Als weiteres Beispiel wurde eine Aufzeichnung mit einer gleichartigen Vorrichtung durch Anlegen kontinuierlich wiederholter Impulsspannungen von 20 kHz an die sieben elektrothermischen Wandler 113 unter Zufuhr der Flüssigkeit 117 zu dem Aufzeichnungskopf 104 unter einem Druck ausgeführt, der ein Überfließen der Flüssigkeit 117 aus der Düsenöffnung 105 auch dann bewirkt, wenn der Widerstand 115 keine Wärme erzeugt. Auf diese Weise konnte festgestellt werden, daß Tröpfchen in einer der angelegten Frequenz entsprechenden Anzahl gleichförmig bzw. stetig mit gleichförmigem Durchmesser ausgestoßen werden konnten.

Aus den vorstehenden Beispielen bestätigt sich, daß der Aufzeichnungskopf 104, der einen Hauptteil der Aufzeichnungsvorrichtung bildet, wirkungsvoll zur Erzeugung eines kontinuierlichen Ausstoßes von Tröpfchen mit hoher Frequenz anwendbar ist.

Claims (1)

1. Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungsvorrichtung zum Ausstoßen von Flüssigkeitströpfchen aus einem Auslaßabschnitt, mit einer Heizeinrichtung (113), die eine Mehrzahl einzelner, in jeweils einem mit Flüssigkeit (117) gefülltem Erwärmungskammerabschnitt (Δ1) angeordnete Heizelemente (115) umfaßt, welche mit der Flüssigkeit (117) in thermischem Kontakt stehen und bei Betätigung zur Aufzeichnung den Ausstoß von Flüssigkeitströpfchen aus dem Auslaßabschnitt durch Zustandsänderung der Flüssigkeit (117) in dem Erwärmungskammerabschnitt (Δ1) bewirken, dadurch gekennzeichnet,

   • - daß der Erwärmungskammerabschnitt (Δ1) im Verlauf eines die Flüssigkeit (117) führenden, verzweigungsfreien Strömungspfades zwischen einem Einlaßabschnitt zur Zuführung der Flüssigkeit (117) und dem Auslaßabschnitt angeordnet ist,
   • - daß jedes Heizelement (115) an einer Wandung des Erwärmungskammerabschnittes (Δ1) eine zu dieser Wandung planparallele Heizfläche bildet,
   • - daß alle Heizelemente (115) Bestandteil einer flachen und planparallelen Platte (106, 107) sind, die für jeden Erwärmungskammerabschnitt (Δ1) die die Heizelemente (115) tragende Wandung bildet.