DE3051204C2

DE3051204C2 - Tintenstrahlkopf

Info

Publication number: DE3051204C2
Application number: DE3051204A
Authority: DE
Inventors: Yoshiaki Shirato; Yasushi Takatori; Toshitami Hara; Yukuo Nishimura; Michiko Takahashi
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1979-04-02
Filing date: 1980-04-01
Publication date: 1995-02-02
Anticipated expiration: 2000-04-02
Also published as: DE3051203C2

Description

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

Beim Tintenstrahlaufzeichnungsverfahren werden Flüssig keitströpfchen auf einen Aufzeichnungsträger, z. B. Papier aufgetragen. Tintenstrahlaufzeichnungsverfahren zeichnen sich dadurch aus, daß sie im wesentlichen geräuschfrei sind, eine hohe Aufzeichnungsgeschwindigkeit ermöglichen und normales Papier ohne besondere Fixierbehandlung als Aufzeichnungsträger ver wendbar ist.

Aus der US 3 747 120 ist ein Tintenstrahlkopf mit einer Ausstoßöffnung bekannt. Der Tintenstrahlkopfist mit einem piezoelektrischen Vibrator versehen, der bei Bedarf angelegte elektrische Signale in mechanische Schwingungen umsetzt, wo durch Flüssigkeitströpfchen aus der Ausstoßöffnung in Rich tung auf den Aufzeichnungsträger ausgestoßen und dort aufge bracht werden.

Bei Durchführung des Tintenstrahlaufzeichnungsverfahrens mit einem Einzeldüsenkopf ist die Erzielung einer hohen Aufzeich nungsgeschwindigkeit schwierig. Aus diesem Grund hat sich bei der Hochgeschwindigkeitsaufzeichnung das sogenannte Mehrfach düsensystem als vorteilhaft herausgestellt. Bei einem Mehr fachdüsensystem sind im Tintenstrahlkopf mehrere Ausstoßöff nungen vorgesehen, so daß die Aufzeichnung für einen bestimm ten Bereich jeweils gleichzeitig ausführbar ist.

Tintenstrahlköpfe dieser Art sind aus der DE 25 43 451 A1 und der DE 25 32 037 A1 bekannt. Die in diesen Druckschriften be schriebenen Tintenstrahlköpfe umfassen mehrere Arbeits kammern, die mit jeweils einer Öffnung zum Ausstoßen von Tinte sowie mit einer Tintenzuführkammer zur Versorgung der Arbeitskammern mit Tinte in Verbindung stehen, und einen ent sprechend den Arbeitskammern vorgesehenen Energiewandler zum Erzeugen von zur Tintenausstoßung dienender Energie.

Die aus der DE 25 43 451 A1 und der DE 25 32 037 A1 bekannten Tintenstrahlköpfe sind Tintenstrahlköpfe gemäß dem Oberbe griff des Patentanspruchs 1.

Bei der Verwendung derartiger Tintenstrahlköpfe ist zwar eine relativ hohe Aufzeichnungsgeschwindigkeit erzielbar, doch ist es schwierig, qualitativ hochwertige Aufzeichnungen zu erzeu gen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Tinten strahlkopf gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart weiterzubilden, daß eine stabile Ausstoßung der Tintentröpf chen und eine verbesserte Bildqualität erzielbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 beanspruchten Merkmale gelöst.

Demnach ist vorgesehen, daß die Öffnungen derart dicht ange ordnet sind, daß eine Aufzeichnung mit einer Aufzeichnungs dichte von 8 Linien/mm oder mehr erzielbar ist, und daß die Beziehungen V₁/V_H < 0,32, 0,03 < V₂/V₁ < 7,49 und V₃/(V_H _*M) < 16 erfüllt sind, wobei V₁ das Volumen des Abschnitts zwischen der Öffnung und dem jeweiligen Erregungsbereich des Energie wandlers, V_H das Volumen des Erregungsbereichs, V₂ das Volu men zwischen dem zuströmseitigen Ende des Erregungsbereichs und dem zugehörigen Verbindungsabschnitt zwischen der Tinten zuführkammer und der jeweiligen Arbeitskammer, V₃ das Volumen der gemeinsamen Tintenzuführkammer und M die Anzahl der Ar beitskammern bezeichnen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1A und 1B zeigen schematisch den Aufbau eines Ausführungsbeispiels in Schrägansicht bzw. in Schnittan sicht entlang der Strichpunktlinie X′-Y′ in Fig. 1A,

Fig. 2 bis 4 zeigen Kurven mit experimentell ermittelten Ergebnissen.

Die Gleichförmigkeit der Flüssigkeitströpfchenaus stoßung und die Qualität der von den Flüssigkeitströpfchen aufgezeichneten Bilder sind durch einen die folgenden Bedingungen einhaltenden Entwurf eines Aufzeichnungskopfes verbesserbar:

V₁/V_H < 0,32
V₂/V₁ < 0,03
und
V₃/(V_H×M) < 16,

wobei V₁ das Volumen eines Mündungsbereichs, V_H das Volumen eines Erregungsbereichs, V₂ das Volumen eines Einlaßöffnungsbereichs, V₃ das Volumen einer gemeinsamen Flüssigkeitskammer und M die Anzahl der Erregungsbereiche bezeichnen.

Fig. 1A ist eine Schrägansicht einer Ausführung eines Tintenstrahlkopfs vor dem Zusammen setzen; Fig. 1B ist eine Schnittansicht entlang der Strichpunktlinie X′-Y′ in Fig. 1A nach dem Zusammenbau. Auf einem aus feinen Partikeln zusammengesetzten Al₂O₃- Substrat 501 sind aufeinanderfolgend SiO₂ als Wärmesammel schicht, HfB₂ als Heizungsschicht und Al als Elektroden schicht im Dünnfilmverfahren übereinander geschichtet und mittels eines gezielten Ätzvorganges erzeugte, als Heiz bereiche bezeichnete Erregungsbereiche, in einer in der Fig. 1A darge stellten Anordnung von Energiewandlern 502 ausgebildet. Es wurden 150 Exemplare eines solchen Tintenstrahlkopfs bei Auswahl der folgenden Dimensionen (unter Bezugnahme auf Fig. 1B) vorbereitet:

Heizbereichslänge h = 40, 80 und 200 µm
Abstand zwischen einer Öffnung 506 und dem ausstoß öffnungsseitigen Ende des Heizbereichs:
l₁ = 20, 40, 80, 200, 500 und 1000 µm,
Abstand zwischen dem einlaßöffnungsseitigen Ende des Heizbereichs 502 und einer gemeinsamen Tintenzuführ kammer 507: l₂ = 20, 40, 80, 200 und 500 µm,
Abstand zwischen den Mittelpunkten benachbarter Heizbereiche: P = 50 und 100 µm und
Breite des Heizbereichs: W = 40 und 80 µm.

Unabhängig davon sind mit einer dünnen, 40 oder 80 µm starken, mit einem Halbleitertyp-Schneidgerät verbundenen
Messerkante Arbeitskammern 503 in Form von Rillen mit einer den Heizvorrichtungen entsprechenden Breite und Teilung und einer Tiefe (t) von 40 oder 80 µm in einer Rillenplatte 504 erzeugt.

Das Substrat 501 und die Rillenplatte 504 sind mit Epoxidharz miteinander verklebt. Weiterhin ist ein Block 505 zur Ausbildung einer gemeinsamen Tintenzuführkammer 507 mit einer Breite (l₃) von 250, 500, 1000, 2000 oder 4000 µm und einer Höhe (S) von 100, 200, 500, 1000, 2000 oder 4000 µm mittels Epoxidharz angeklebt. Zuleitungsdrähte für die Heizvorrichtungsansteuerung sind mit dem Tintenstrahl kopf verbunden. In dieser Weise sind 150 Versuchs musterköpfe vorbereitet.

Ergebnisse der Flüssigkeitstropfenausstoßungsversuche unter Verwendung der Musterköpfe sind in den Fig. 2 bis 4 dargestellt. Die Werte wurden durch mikroskopische Beobachtung bei Beleuchtung durch ein mit den Ausstoßungs- Eingangsspannungsimpulsen synchronisiertes Leuchtelement erhalten.

Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen einem auf ein frei gewähltes Standardvolumen eines Flüssigkeits tröpfchens (im folgenden als "Normvolumen eines ausge stoßenen Flüssigkeitströpfchens" bezeichnet) normiertes Volumen V_R eines ausgestoßenen Flüssigkeitströpfchens und einem (logarithmisch aufgetragenen) Verhältnis eines Volumens V₁ vor dem Heizbereich (des Volumens des Mündungs bereiches) zu einem Volumen V_H des Heizbereiches (Volumen des Erregungsbereiches) mit einem Volumen V₃ der gemeinsamen Tintenzuführkammer als Parameter.

Aus Fig. 2 ist klar ersichtlich, daß das Volumen eines ausgestoßenen Flüssigkeitströpfchens in einem - schraffiert eingetragenen - Bereich mit Werten von log (V₁/V_H) kleiner oder gleich -0,52 (das entspricht (V₁/V_H)* = 0,316) stark abnimmt. Übereinstimmend mit dem Experiment und Beobachtungen wurde gefunden, daß ein Ausstoßungsvor gang in diesem Bereich nicht stabil bzw. gleichförmig ist. Es ist anzunehmen, daß eine solche instabile Aus stoßung hauptsächlich einem instabilen Flüssigkeitsmeniskus oder der Abwesenheit eines Flüssigkeitsmeniskus im Mün dungsbereich nach Ausstoßung eines Flüssigkeitströpfchens zuzuschreiben ist.

Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen der Energie E eines elektrischen Eingangssignals zur Ausstoßung eines Flüssigkeitströpfchens und dem (logarithmisch aufge tragenen) Volumenverhältnis V₂/V₁ mit dem Volumen des Heizbereiches V_H als Parameter. V₁ und V₂ entsprechen der vorstehend gegebenen Definition.

Aus Fig. 11 ist klar zu ersehen, daß der Energie wirkungsgrad in einem - schraffiert eingetragenen - Bereich für log (V₂/V₁) kleiner als log (V₂/V₁)* = -1,5 abnimmt.

In einem - schraffiert eingetragenen - Bereich mit log (V₂/V₁) größer als log (V₂/V₁)** = 0,9 tritt instabile Ausstoßung auf.

Die erstgenannte Verschlechterung, d. h. der geringe Energiewirkungsgrad, scheint der Vergrößerung des Volumens, auf das der im Heizbereich erzeugte Ausstoßungsdruck ein zuwirken hat, die zweitgenannte Verschlechterung, d. h. instabile Ausstoßung, der Tatsache zuzuschreiben zu sein, daß die (in Fig. 2 gezeigte) Bedingung von V₁/V_H < 0,32 Hand in Hand mit der Bedingung, bzw. dem Verhältnis von V₂/V₁ geht.

Aus den Fig. 2 und 3 ist also zu entnehmen, daß sich mit dem Einhalten der Bedingungen V₁/V_H < 0,32 und V₂/V₁ < 0,03 die Aufzeichnungseigenschaften verbessern.

Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen einem normierten Volumen V_R eines ausgestoßenen Flüssigkeitströpfchens und dem logarithmisch aufgetragenen Verhältnis des Volumens V₃ der gemeinsamen Tintenzuführkammer zu dem Gesamtvolumen der Heizbereiche (V_H·M, wobei M die Anzahl der Heizbereiche darstellt) mit dem vorstehend schon definierten V₂ als Parameter. Alle Heizvorrichtungen werden dabei gleich zeitig angesteuert.

Aus Fig. 4 und experimentellen Beobachtungen ist zu entnehmen, daß die Größe der ausgestoßenen Flüssigkeits tröpfchen abnimmt und instabile Ausstoßung auftritt, wenn der Wert von V₃/(V_H·M) kleiner als (V₃/V_H·M))* = 16 ist. Dies dürfte einer Verzögerung der Flüssigkeitszuführung zuzuschreiben sein.

Ein Tintenstrahlkopf wird durch die Auswahl besonderer Bedingungen verbessert, wobei diese Bedingungen Volumina verschiedener Bereiche in den Arbeitskammern und einer gemeinsamen Tintenzuführkammer betreffen.

Claims

1. Tintenstrahlkopf mit mehreren Arbeitskammern, die mit jeweils einer Öffnung zum Ausstoßen von Tinte sowie mit einer Tintenzuführkammer zur Versorgung der Arbeitskammern mit Tinte in Verbindung stehen, und einem entsprechend den Ar beitskammern vorgesehenen Energiewandler zum Erzeugen von zur Tintenausstoßung dienender Energie, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (506) derart dicht angeordnet sind, daß eine Auf zeichnung mit einer Aufzeichnungsdichte von 8 Linien/mm oder mehr erzielbar ist, und daß die Beziehungen V₁/V_H < 0,32, 0,03 < V₂/V₁ < 7,49 und V₃/(V^H·M) < 16 erfüllt sind, wobei V₁ das Volumen des Abschnitts zwischen der Öffnung (506) und dem jeweiligen Erregungsbereich des Energiewandlers (502), V_H das Volumen des Erregungsbereichs, V₂ das Volumen zwischen dem zuströmseitigen Ende des Erregungsbereichs und dem zugehöri gen Verbindungsabschnitt zwischen der Tintenzuführkammer (507) und der jeweiligen Arbeitskammer (503), V₃ das Volumen der gemeinsamen Tintenzuführkammer (507) und M die Anzahl der Arbeitskammern (503) bezeichnen.

2. Tintenstrahlkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß jede Arbeitskammer (503) als langer enger Kanal aus gebildet ist.

3. Tintenstrahlkopf nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitskammern (503) im wesentlichen parallel und in regelmäßigen Intervallen ange ordnet sind.

4. Tintenstrahlkopf nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (506) zum Aus stoßen von Tinte und die Verbindungsabschnitte im wesentli chen gleich groß sind.

5. Tintenstrahlkopf nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die den Verbindungsabschnit ten gegenüberliegende Innenwandfläche der gemeinsamen Tinten zuführkammer (507) im wesentlichen parallel zur Oberflächen ebene der Verbindungsabschnitte verläuft.

6. Tintenstrahlkopf nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Erregungsbereich den Tintenausstoß durch Wärmeenergie bewirkt, die insbesondere durch eine Widerstandsheizvorrichtung als Energiewandler er zeugbar ist.