DE3051240C2

DE3051240C2 - Tintenstrahl-Schreibkopf

Info

Publication number: DE3051240C2
Application number: DE3051240A
Authority: DE
Inventors: Toshitami Hara
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1979-05-18
Filing date: 1980-05-16
Publication date: 1997-07-10
Anticipated expiration: 2000-05-17
Also published as: DE3051237C2; DE3051241C2; DE3051239C2; DE3051238C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Tintenstrahl- Schreibkopf, bei dem eine hier als Tinte bezeichnete Auf zeichnungsflüssigkeit in Form von Flüssigkeits- bzw. Tinten tröpfchen ausgestoßen und in Richtung zu einem Aufzeichnungs träger ausgeschleudert wird.

Tintenstrahl-Schreibköpfe haben in jüngerer Zeit stärkere Be achtung gefunden, da die Geräuschentwicklung beim Aufzeichnen vernachlässigbar klein ist.

Tintenstrahl-Schreibköpfe ermöglichen hohe Aufzeichnungsge schwindigkeit und können auf normalem Papier ohne Fixierung aufzeichnen. Es sind bereits zahlreiche verschiedene Systeme und Vorrichtungen zum Tintenstrahldrucken vorgeschlagen wor den.

Ein in der DE-OS 28 43 064 beschriebener Tintenstrahl- Schreibkopfzeichnet sich dadurch aus, daß Wärmeenergie auf die Tinte aufgebracht wird, um die Tinte auszustoßen.

Bei dem in der vorstehend genannten Veröffentlichung be schriebenen Tintenstrahl-Schreibkopf erfährt die Tinte durch die Zufuhr von Wärmeenergie eine Zustandsänderung, die von einer abrupten Volumenzunahme begleitet ist, wobei die durch die Zustandsänderung hervorgerufene Ausstoßkraft bewirkt, daß Tintentröpfchen aus einer Ausstoßöffnung an der Spitze eines Schreibkopfes ausgestoßen werden und zu einem Aufzeichnungs träger geschleudert werden. Der Schreibkopf umfaßt einen Aus stoßabschnitt mit einer Ausstoßöffnung zum Ausstoßen eines Tintentropfens. Ferner weist der Ausstoßabschnitt einen Wär meeinleitabschnitt auf, der in Verbindung mit der Ausstoßöff nung steht und an eine Heizoberfläche grenzt, durch die Wär meenergie zur Tinte übertragbar ist. Der Schreibkopf umfaßt ferner einen elektrothermischen Wandler zur Erzeugung von Wärmeenergie, der mit dem Wärmeeinleitabschnitt verbunden ist.

Der Tintenstrahl-Schreibkopf gemäß der DE-OS 28 43 064 eignet sich zum Betrieb in der Weise, daß Tröpfchen nur bei Bedarf ausgestoßen werden. Der zugehörige Schreibkopf kann verhält nismäßig einfach derart aufgebaut werden, daß zahlreiche Aus stoßöffnungen in hoher Dichte vorhanden sind und eine voll ständige Zeile gedruckt werden kann. Dies hat zur Folge, daß Abbildungen mit hoher Auflösung und hoher Qualität mit hoher Geschwindigkeit erzeugt werden können.

Insofern hat der vorstehend kurz erläuterte Tintenstrahl- Schreibkopf hervorragende Eigenschaften; um solche Abbildun gen mit hoher Auflösung und hoher Qualität mit höherer Ge schwindigkeit erzeugen zu können, ist es jedoch notwendig, die Anzahl N₀ der je Zeiteinheit aus einer Ausstoßöffnung ausgestoßenen Tröpfchen, d. h. die Tropfen-Ausstoßleistung, zu erhöhen.

Bei dem vorstehend erwähnten Tintenstrahl-Schreibkopf werden durch Wärmeeinfluß Blasen erzeugt, und die plötzliche Zunahme und Verringerung des Volumens der Blasen bewirkt eine ent sprechend abrupte Zustandsänderung, was wiederum zur Folge hat, daß Tintentröpfchen aus der Ausstoßöffnung des Schreib kopfes ausgestoßen werden und eine Aufzeichnung bewirken. Um die Anzahl N₀ erhöhen zu können, muß somit die Zeit verkürzt werden, die verstreicht, bis erneut eine Volumenvergrößerung und Volumenabnahme bewirkt werden kann, d. h. es muß der er zielbare Ausstoßabstand der Tintentropfen verringert werden. Es wird vorgeschlagen, die Abklinggeschwindigkeit, mit der das Blasenvolumen abnimmt, zu vergrößern, um den erzielbaren Ausstoßabstand der Tintentropfen zu verbessern, d. h. zu ver kürzen.

Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß der Schreibkopf mit einer Kühleinrichtung, beispielsweise einem Peltier-Element oder dergleichen, versehen wird, um den elek trothermischen Wandler und die Tinte zwangsweise zu kühlen und dadurch die Abklingkurve des Blasenvolumens steiler zu machen, was zu einer Erhöhung von N₀ führt.

Wenn die Abklingkurve des Blasenvolumens steiler gemacht wird, kann das vorstehend genannte Problem in gewissem Ausmaß gelöst werden. Wenn die Abklingkurve jedoch steiler als ein bestimmter Wert wird, wird der Meniskus der Tinte, der sich an der Ausstoßöffnung ausbildet, zu stark eingezogen, und es besteht ferner die Gefahr, daß Luft in die Tinte eingesaugt wird, und daß die Zuleitung von Tinte zum Wärmeeinleitab schnitt instabil wird, was zu unzureichender Tintenversorgung führt. Dies wiederum hat zur Folge, daß die folgenden Nach teile auftreten: Ungleichförmige Menge der ausgestoßenen Tin tentröpfchen, unregelmäßige Ausstoßrichtung, ungleichmäßige Tropfenausstoßgeschwindigkeit, sinkende Genauigkeit des An sprechens auf die Eingangs- bzw. Steuersignale und reduzierte Ansprechzuverlässigkeit sowie Abnahme der Aufzeichnungsquali tät und Aufzeichnungsunterbrechungen.

Wenn eine solche spezielle Kühleinrichtung am Schreibkopf an geordnet wird, wird der Schreibkopf kompliziert und teuer, wobei sich diese Nachteile insbesondere dann auswirken, wenn der Schreibkopf zahlreiche Ausstoßöffnungen hat. Ferner ist bei einem Schreibkopf mit zahlreichen, sehr dicht angeordne ten Ausstoßöffnungen der Nutzen wesentlich geringer, da die Herstellung eines solchen Schreibkopfes ausgefeilte Präzisi onstechnik erfordert. Konstruktion, Bearbeitung und Fabrika tion sind daher erschwert, was zu hohem Ausschuß, hohen Ko sten und schwieriger Wartung führt.

Ferner ist zu berücksichtigen, daß der Kühlwirkungsgrad der Kühleinrichtung niedrig ist, da die Kühlung der Blasen indi rekt dadurch ausgeführt wird, daß die die jeweilige Blase um gebende Tinte gekühlt wird. Die Kühleinrichtung spricht so langsam an, daß die erreichbare Verbesserung des Ausstoßab standes der Tintentropfen begrenzt ist. Wenn die Kühlge schwindigkeit erhöht werden soll, muß die die Blase umgebende Flüssigkeit übermäßig gekühlt werden. Dies führt jedoch zu einer Vergrößerung des erzielbaren Ausstoßabstandes und wei teren Nachteilen. Diese Nachteile bestehen in instabiler Zu fuhr von Tinte zum Wärmeeinleitabschnitt im Schreibkopf, un gleichförmigem Volumen der ausgestoßenen Tintentröpfchen, un gleichförmiger Tropfenausstoßgeschwindigkeit, verringerter Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Ansprechens auf Steuer bzw. Eingangssignale und dergleichen, Verringerung der Auf zeichnungsqualität und Unterbrechungen beim Aufzeichnen.

Um die Tropfen-Ausstoßleistung zu erhöhen, ist es notwendig, die vom elektrothermischen Wandler erzeugte Wärmeenergie der art aufzubringen, daß die Wärmeenergie effektiv zum Ausstoßen von Tintentropfen verbraucht wird.

Beim kontinuierlichen Aufzeichnen ist es notwendig, daß die Wärmeenergie in Abhängigkeit von Eingangs- bzw. Steuersigna len mit hoher Ansprechempfindlichkeit und -genauigkeit sowie Zuverlässigkeit immer wieder erzeugt wird und daß die erzeug te Wärmeenergie schnell auf die Tinte im Wärmeeinleitab schnitt einwirkt. Insbesondere beim Aufzeichnen mit hoher Ge schwindigkeit muß gewährleistet sein, daß die wiederholte Einwirkung genau den an den elektrothermischen Wandler ange legten Eingangs- bzw. Steuersignalen folgt. Dies heißt mit anderen Worten, daß zur Verbesserung der Qualität von Auf zeichnungen und zum schnellen Aufzeichnen die Stabilisierung der Ausstoßrichtung der Tintentropfen, die Verhinderung der Erzeugung von Satellitentropfen, stabiler, kontinuierlicher, langdauernder wiederholter Ausstoß der Tintentropfen sowie hohe Ausstoßleistung und höhe Ausstoßgeschwindigkeit der Tin tentropfen notwendig sind.

Bei herkömmlichen Schreibköpfen sind diese Anforderungen nicht vollständig erfüllt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Tintenstrahl- Schreibkopf zu schaffen, der stabile und kontinuierliche Auf zeichnung von Abbildungen mit hoher Auflösung und hoher Qua lität während langer Zeit und mit hoher Geschwindigkeit er möglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den im Patentan spruch gekennzeichneten Tintenstrahl-Schreibkopf gelöst.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlicher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1A eine ausschnittsweise Vorderansicht der mit Ausstoßöffnungen versehenen Seite einer Aus führungsform eines Schreibkopfes;

Fig. 1B eine Schnittdarstellung gemäß X-Y in Fig. 1A;

Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung des Betriebsver haltens eines Schreibkopfes;

Fig. 3 ein Diagramm, das den Verlauf eines elektri schen Signales P, das an den Schreibkopf ange legt ist, und des Volumens einer erzeugten Blase in Abhängigkeit von der Zeit wiedergibt.

Der in den Fig. 1A und 1B dargestellte Schreibkopf 1 ist in folgender Weise ausgebildet. Auf der Oberfläche eines Substrates 3 befindet sich ein elektrothermischer Wandler 2. Eine genutete Platte 4 ist auf der Oberfläche des Substrates 3 angebracht, so daß dadurch Ausstoßöffnungen 5-1, 5-2 und 5- 3 sowie Ausstoßabschnitte 6 definiert sind. Die Platte 4 weist eine bestimmte Anzahl von Nuten mit bestimmter Breite und Tiefe sowie mit bestimmter Zeilendichte auf. Der darge stellte Schreibkopf 1 ist mit mehreren Ausstoßöffnungen 5-1, 5-2 und 5-3 versehen; die Erfindung ist jedoch nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern kann auch angewendet werden bei einem Schreibkopf 1 mit einer ein zigen Ausstoßöffnung.

Der Ausstoßabschnitt 6 umfaßt die an seinem einen Endab schnitt ausgebildete Ausstoßöffnung 5, durch die Tintentrop fen ausgestoßen werden, sowie einen Wärmeeinleitabschnitt 7, in dem vom elektrothermischen Wandler 2 erzeugte Wärmeenergie unter Bildung einer Blase auf die Tinte einwirkt, so daß eine abrupte Zustandsänderung durch Ausdehnung und Zusammenziehung des Tintenvolumens hervorgerufen wird.

Der Wärmeeinleitabschnitt 7 befindet sich auf einem Wärmeer zeuger 8 des elektrothermischen Wandlers 2, wobei eine Heiz oberfläche 9 des Wärmeerzeugers 8 den Boden des Wärmeeinleit abschnittes 7 bildet und in Berührung mit der Tinte steht.

Der Wärmeerzeuger 8 umfaßt eine untere Lage bzw. Schicht 10, die auf dem Substrat 3 angebracht ist, eine Widerstandsheiz lage bzw. -schicht 11, die auf der unteren Schicht 10 ange ordnet ist, sowie eine obere Lage bzw. Schicht 12, die auf der Widerstandsheizschicht 11 angebracht ist. Auf der Wider standsheizschicht 11 sind ferner Elektroden 13 und 14 zum Zu führen von elektrischem Strom zur Widerstandsheizschicht 11 angeordnet. Die Elektrode 13 ist eine gemeinsame Elektrode für die Wärmeeinleitabschnitte mehrerer oder aller Ausstoßab schnitte, wogegen die Elektrode 14 eine Einzelelektrode zur wahlweisen Speisung eines Wärmeeinleitabschnittes eines be stimmten Ausstoßabschnittes und zur dementsprechenden wahl weisen Wärmeerzeugung ist. Die Elektrode 14 verläuft in Rich tung des Strömungsweges des Ausstoßabschnittes 6.

Die obere Schicht 12 dient dazu, die Widerstandsheizschicht 11 chemisch und physikalisch vor der Tinte im Ausstoßab schnitt 6 zu schützen, indem sie die Widerstandsheizschicht 11 von der Tinte trennt. Ferner verhindert die obere Schicht 12 Kurzschlüsse zwischen den Elektroden 13 und 14 durch die Tinte.

Die untere Schicht 10 hat hauptsächlich die Funktion, den Wärmestrom zu steuern. Dies heißt mit anderen Worten, daß die stofflichen Eigenschaften und die Dicke dieser Schicht 10 derart gewählt sind, daß dann, wenn ein Tintentropfen ausge stoßen wird, derjenige Anteil der in der Widerstandsheiz schicht 11 erzeugten Wärme, der zum Substrat 3 übertragen wird, im Verhältnis zu demjenigen Anteil der Wärme, der zum Wärmeeinleitabschnitt 7 übertragen wird, so klein wie möglich ist, und daß nach dem Ausstoßen eines Tintentropfens, d. h. nach dem Abschalten des der Widerstandsheizschicht 11 zuge führten elektrischen Stromes, die im Wärmeeinleitabschnitt 7 und im Wärmeerzeuger gespeicherte-Wärme schnell zum Substrat 3 übertragen wird, damit die Tinte im Wärmeeinleitabschnitt möglichst schnell abkühlt.

Damit diese Funktionen erfüllt werden und dadurch der Wir kungsgrad der Tintentropfen-Ausstoßenergie erhöht wird, die Wärme-Ansprechempfindlichkeit sowie der im Dauerbetrieb er zielbare Ausstoßabstand der Tintentropfen verbessert werden und die Ausstoßfrequenz der Tintentropfen erhöht wird, ist es zweckmäßig, die Verhältnisse der Dicken der oberen Schicht 12, der Widerstandsheizschicht 11 und der unteren Schicht 10 in folgender Weise zu wählen, wobei diese Schichten auf dem Substrat 3 übereinander angeordnet sind und den Wärmeerzeuger 8 bilden:
L = L₁+L_H+L₂
L₁: Dicke der oberen Schicht 12
L₂: Dicke der unteren Schicht 10
L_H: Dicke der Widerstandsheizschicht 11

C₁: Spezifische Wärme der oberen Schicht 12
C₂: Spezifische Wärme der unteren Schicht 10
k₁: Wärmeleitfähigkeit der oberen Schicht 12
k₂: Wärmeleitfähigkeit der unteren Schicht 10
k_H: Wärmeleitfähigkeit der Widerstandsheizschicht 11
ρπ₁: Dichte der oberen Schicht 12
ρ₂: Dichte der unteren Schicht 10
τ: Halbwertbreite eines an den elektrothermischen Wandler angelegten elektrischen Signales P
t: Zeit zwischen dem Anlegen eines elektrischen Signales und dem Anlegen eines weiteren elektri schen Signales
S: Fläche der Heizoberfläche der oberen Schicht 12, die dem Wärmeeinleitabschnitt 7 zugewandt ist
ΔT: Mittelwert der Temperaturdifferenz zwischen der Oberflächentemperatur der Heizoberfläche 9 und der Oberflächentemperatur der dem Substrat 3 zugewand ten Oberfläche der unteren Schicht 10
Q: durch ein elektrisches Signal erzeugte Wärmemenge.

Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß das zu erwärmende Material, das in Berührung mit der Heizoberfläche 9 des Wär meerzeugers 8 steht, eine Flüssigkeit oder eine in einer Flüssigkeit erzeugte Blase ist, sind die Beziehungen zwischen der Wärmeleitfähigkeit und der Schichtdicke der oberen Schicht 12, der Widerstandsheizschicht 11 und der unteren Schicht 10, die den Wärmeerzeuger 8 bilden, in Verbindung mit den physikalischen Eigenschaften, insbesondere der Beziehung zwischen den Dicken der oberen Schicht 12 und der unteren Schicht 10 in Verbindung mit der Steuerung des Wärmestromes, systematisch untersucht worden, und als Ergebnis der Untersu chungen wurden für die Dicken der drei Schichten die Glei chungen (1) und (2) gefunden.

Fig. 2 zeigt ein Diagramm, das die Eigenschaften des Schreibkopfes erläutert. Auf der Abszisse sind die Steuerfre quenz f (Hz), mit der der elektrothermische Wandler gespeist wird, bzw. die Periodendauer t (ms) des Impulssignals aufge tragen. Auf der Ordinate ist L aufgetragen. Die im Diagramm wiedergegebenen Ergebnisse gelten für das Aufzeichnen mittels eines Impulssignales mit einer Periodendauer t von 0,2 ms bis 1,6 ms bzw. der entsprechenden Steuerfrequenz und das Tastverhältnis 1/100.

Der gestrichelte Bereich A ist der charakteristische Bereich des Schreibkopfes. In diesem Bereich kann mit hoher Steuer frequenz und hoher Energieausnutzung gearbeitet werden. Der Bereich B ist ein Bereich, in dem der Tropfenausstoß nicht der Steuerfrequenz f folgt, d. h. es erfolgt kein zuverlässi ger Tropfenausstoß in genauer Abhängigkeit vom steuernden bzw. treibenden Signal. Vielmehr kommt es zu intermittieren dem Ausstoß.

Im Bereich C treten keine besonderen Schwierigkeiten hin sichtlich des Tropfenausstoßes auf; die Energieausnutzung beim Ausstoß der Tintentropfen ist jedoch verringert.

Als Substrat 3 beim Schreibkopf 1 sind Glas, keramische Stof fe, Kunststoffe oder diese Materialien mit wärmeleitfähig ge machten Oberflächen oder Metalle, lichtempfindliche Gläser, lichtempfindliche keramische Stoffe und dergleichen geeignet.

Wenn die Schichtstruktur des elektrothermischen Wandlers 2 des Schreibkopfes 1 in vorstehend beschriebener Weise ausge bildet ist, wirkt die durch ein an den elektrothermischen Wandler 2 angelegtes elektrisches Signal P erzeugte Wärmee nergie auf die Tinte im Wärmeeinleitabschnitt 7 mit hohem Wirkungsgrad. Die resultierende, auf die Tinte wirkende Kraft wird wirkungsvoll in Ausstoßenergie umgesetzt. Da die Wärme- Ansprechempfindlichkeit sehr gut ist, kann die Ausstoßfre quenz erheblich erhöht werden. Selbst bei lang andauerndem und wiederholtem Tropfenausstoßbetrieb zeigt sich sehr hohe Stabilität. Darüberhinaus ist die Ausstoßgeschwindigkeit er staunlich hoch. Der erfindungsgemäße Schreibkopf hat somit hervorragende Eigenschaften, aufgrund derer die verschieden sten Anforderungen erfüllt sind, die sich bei schnellen Auf zeichnungen stellen.

Die Gründe dafür, daß der Schreibkopf die vorstehend angege benen hervorragenden Eigenschaften und hervorragendes Be triebsverhalten zeigt, werden im folgenden weiter erläutert. Die Beziehung zwischen den Dicken der oberen Schicht 12, der Widerstandsheizschicht 11 und der unteren Schicht 10, die den Wärmeerzeuger 8 des elektrothermischen Wandlers 2 des Schreibkopfes bilden, erfüllt die obigen Gleichungen (1) und (2). Aufgrund der vorstehend angegebenen Ausbildung des Schreibkopfes wird beim Ausstoßen eines Tintentropfens die in der Widerstandsschicht 11 erzeugte Wärme schnell zur Tinte im Wärmeeinleitabschnitt 7 übertragen, so daß eine Blase ent steht. Die schnelle Volumenzunahme dieser Blase bewirkt eine schnelle Zustandsänderung, und die daraus resultierende Treibkraft bewirkt das Ausstoßen eines Tintentropfens. Nach dem der Tintentropfen ausgestoßen worden ist, wird das an den elektrothermischen Wandler 2 angelegte elektrische Signal P abgeschaltet bzw. beendet, was zur Folge hat, daß die im Wär meeinleitabschnitt 7 und im Wärmeerzeuger 8 gespeicherte bzw. zurückgehaltene Wärme schnell zum Substrat 2 abfließt, so daß die Temperaturen des Wärmeeinleitabschnittes und des Wärmeer zeugers schnell sinken und dadurch das Volumen der erzeugten Blase sehr schnell abnimmt. Dieses Schrumpfen des Blasenvolu mens bewirkt, daß Tinte in den Wärmeeinleitabschnitt 7 einge leitet wird, damit schnell und stoßfrei eine Tintenmenge nachgefüllt wird, die der ausgestoßenen Tintenmenge ent spricht, so daß der Schreibkopf innerhalb äußerst kurzer Zeit bereit für den nächsten Ausstoß ist.

Die Ausbildung und der Aufbau des elektrothermischen Wandlers des Schreibkopfes unterscheiden sich deutlich von Ausbildung und Aufbau, wie sie üblicherweise bei Thermo-Druckern, d. h. sogenannten "Thermo-Köpfen", angewendet werden, da das Mate rial, das beim Schreibkopf erwärmt werden muß, eine Flüssig keit ist.

Die elektrothermischen Wandler für Thermodrucker können bei der Erfindung nicht angewendet werden, da zahlreiche Eigen schaften dieser bekannten Wandler für die Erfindung nicht ge eignet sind. Beispielsweise ist die Lebensdauer der Thermo- Köpfe äußerst gering und ungeeignet für den Schreibkopf. Fer ner handelt es sich bei dem in einem Thermo-Drucker zu erwär menden Material um wärmeempfindliches Papier, wogegen es im Falle der Erfindung eine Flüssigkeit ist, so daß die Kon struktionsprinzipien der Thermo-Köpfe nicht auf die Ausbil dung des elektrothermischen Wandlers des Schreibkopfes über tragen werden können.

Beim erfindungsgemäßen Tintenstrahl-Schreibkopf werden fol gende Betriebsbedingungen eingesetzt:
1/5 τ₀ τ_1/2 10τ₀, vorzugsweise τ₀ τ_1/2 10τ₀, bei 0 τ₀ 10 µs, oder 2 µs τ_1/2 10τ₀, vorzugsweise 2 µs τ_1/2 τ₀ bei 10 µs < τ₀, wobei τ₀ die Zeitdauer des elektrischen Signales P ist, V das Volumen einer Blase ist, die erzeugt wird, wenn das elektrische Signal angelegt wird, Vmax der Maximalwert von V ist und τ_1/2 die Zeitdauer ist, die verstreicht, bis das Volumen der Blase von Vmax auf Vmax/2 gesunken ist.

In Fig. 3 ist der Verlauf des Volumens V der Blase in Abhän gigkeit von der Zeit t dargestellt. Die Blase entsteht durch Anlegen eines elektrischen Signales P in Form eines Rechteck impulses an den elektrothermischen Wandler des Schreibkopfes.

Das elektrische Signal P wird an den elektrothermischen Wand ler angelegt. Das Signal P beginnt zum Zeitpunkt t_o und endet zum Zeitpunkt t_f. Die Blasenerzeugung beginnt zu einem Zeit punkt, der um τ_d später liegt als der Zeitpunkt t_o. Das Volu men V nimmt im Laufe der Zeit zu und erreicht seinen Maximal wert Vmax zum Zeitpunkt tmax. Wenn das elektrische Signal P zum Zeitpunkt t_f abgeschaltet wird, beginnt das Volumen V der Blase zu einem Zeitpunkt abzunehmen, der etwas später als der Zeitpunkt t_f liegt. Indem die Beziehung zwischen der An stiegskurve und der Abklingkurve des Volumens V einer Blase in Abhängigkeit von der Zeit in oben angegebener Weise einge halten wird, kann die Abklingkurve so steil wie möglich ge macht werden.

Wenn die Änderung des Blasenvolumens einem Verlauf folgt, der die oben angegebenen Beziehungen erfüllt, wirkt die Wärme energie, die durch das an den elektrothermischen Wandler an gelegte elektrische Signal im Wärmeeinleitabschnitt erzeugt wird, auf die Tinte im Wärmeeinleitabschnitt sehr effektiv, so daß die resultierende Treibkraft auf die Tinte effektiv zum Ausstoßen von Tintentröpfchen ausgenutzt wird und dadurch die Ausstoßenergie verringert werden kann.

Im folgenden werden Beispiele erläutert, auf die die Erfin dung jedoch nicht beschränkt ist.

BEISPIEL 1

Auf einem Substrat aus Aluminiumoxid wurde als untere Schicht eine SiO₂-Schicht mit einer Dicke von 8 µm durch Aufsprühen erzeugt. Danach wurde eine HfB₂-Schicht mit einer Dicke von 500 Å als Widerstandsheizschicht durch Aufsprühen erzeugt, und schließlich wurde eine Al-Schicht mit einer Dicke von 5000 Å als Elektrodenschicht durch Aufsprühen erzeugt. Durch örtliches Ätzen wurde dann die Widerstandsheizschicht mit den Abmessungen 50 mikron × 500 mikron freigelegt.

Auf die gesamte Oberfläche wurde SiO₂ gesprüht, um eine obere Schicht mit einer Dicke von 0,5 mikron zu erzeugen. Somit war ein elektrothermischer Wandler auf einem Substrat aus Alumi niumoxid fertiggestellt.

Auf das Substrat wurde eine genutete Platte mit einer Nut mit einer Breite von 50 mikron in der Weise gesetzt, daß die Nut den Wärmeerzeuger des elektrothermischen Wandlers bedeckte. Die Platte wurde mittels eines Bindemittels mit dem Substrat verbunden.

Der Widerstand der Widerstandsheizschicht zwischen den Elek troden des fertigen Schreibkopfes betrug 10 Ω.

An den Schreibkopf wurde ein Eingangs- bzw. Steuersignal mit einer Impulsbreite von 10 µs und einer Periodendauer von 1 ms angelegt. Der Schreibkopf sprach auf die Steuerfrequenz mit sehr hoher Ansprechgenauigkeit an, indem er Tintentropfen ausstieß. Die Abbildung bzw. Aufzeichnung war sehr gut.

Die Leistungsaufnahme während der Stromzufuhr betrug 10 W, und der Wirkungsgrad der Ausstoßenergie der Tintentropfen war hoch.

Bei diesem Schreibkopf betrugen die Abmessungen:
L = 8,5 mikron
L₁ = 0,5 mikron
L₂ = 8 mikron.

Es wurde ein weiterer Schreibkopf auf vorstehend angegebene Weise hergestellt, wobei lediglich der Unterschied bestand, daß L₂ = 8 mikron ersetzt war durch L₂ = 4 mikron. Danach wurde der gleiche Versuch durchgeführt. Die Leistungsaufnahme betrug 20 W. Dies zeigt, daß der Wirkungsgrad der Ausstoß energie der Tintentropfen sehr niedrig war.

Auf die SiO₂-Schicht (0,5 mikron) des in der eingangs be schriebenen Weise hergestellten Schreibkopfes wurde Ta ge sprüht, bis eine Ta-Schicht mit einer Dicke von 4 mikron er zeugt war. Außer diesem Unterschied, daß nämlich die obere Schicht aus einer SiO₂-Schicht und einer Ta-Schicht bestand, wurde in vorstehend angegebener Weise verfahren. Die Lei stungsaufnahme betrug 14 W. Dies zeigt, daß die Ausstoßeigen schaften gut waren.

In der als Anlage beigefügten Tabelle 1 sind die minimale Energie zum Ausstoßen eines Tintentropfens, Qmin, sowie der Tropfenausstoßzustand für Schreibköpfe mit den Probennummern 1 bis 11 wiedergegeben. Diese Schreibköpfe wurden auf gleiche Weise hergestellt, wie dies oben beschrieben ist, wobei je doch L₁ (Dicke der oberen Schicht), L₂ Dicke der unteren Schicht) und die Materialien variiert wurden.

BEISPIEL 2

Auf einem Substrat aus Aluminiumoxid wurde eine SiO₂-Schicht als untere Schicht mit einer Dicke von 4 mikron durch Auf sprühen erzeugt. Danach wurde eine HfB₂-Schicht als Wider standsheizschicht mit einer Dicke von 2000 Å durch Aufsprühen erzeugt, und schließlich wurde eine Al-Schicht als Elektro denschicht mit einer Dicke von 3000 Å durch Aufsprühen aufge bracht. Danach wurde eine örtliche Ätzung durchgeführt, um die Widerstandsheizschicht mit den Abmessungen 80 mikron × 200 mikron freizulegen.

Auf dieses Zwischenprodukt wurde durch Aufsprühen die obere Schicht als Schutzschicht mit einer Dicke von 0,5 mikron auf gebracht. Der elektrothermische Wandler auf dem Substrat war dadurch fertiggestellt.

Auf dieses Zwischenprodukt wurde eine genutete Glasplatte mit einer Nut mit einer Breite von 80 mikron und einer Tiefe von 80 mikron in der Weise gesetzt, daß sich die Nut über der Wi derstandsheizschicht befand. Die Glasplatte und der elek trothermische Wandler wurden beispielsweise durch Verkleben miteinander verbunden. Das ausstoßseitige Ende des Schreib kopfes wurde so geschliffen, daß der Abstand zwischen dem Rand des Widerstandsheizelementes und der Ausstoßöffnung 300 mikron betrug. Damit war der Schreibkopf fertiggestellt.

Eine Tinte, die hauptsächlich aus schwarzer Farbe und Ethanol bestand, wurde mit einem Überdruck von 0,1 atm in den Wärme einleitabschnitt eingeleitet. An den elektrothermischen Wand ler wurde 10 Stunden lang ein Eingangssignal aus Rechteckim pulsen mit einer Impulsbreite von 10 µs und 30 V sowie einer Periodendauer von 200 µs kontinuierlich angelegt. Der Schreibkopf stieß Tröpfchen mit hoher Ansprechempfindlichkeit und Zuverlässigkeit in Abhängigkeit vom Eingangssignal aus.

Der Zustand der aus der Ausstoßöffnung des Schreibkopfes aus gestoßenen Tintentröpfchen sowie die Volumenänderung der auf der Heizoberfläche erzeugten Blase wurden in der Weise gemes sen, daß synchron zum Eingangssignal ein Blitzlicht ein- und ausgeschaltet wurde. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind in der anliegenden Tabelle 2 wiedergegeben. Dabei wurde gleichzeitig die Impulsbreite des Eingangssignales variiert, um den Wert von (dV/dt)/Vmax zu ändern, und ferner wurden der Ausstoßzustand, die maximale Ansprechfrequenz, der Energie verbrauch und die Tropfenausstoßgeschwindigkeit gemessen, wo bei die Ergebnisse dieser Messungen in Tabelle 2 wiedergege ben sind. Diese Ergebnisse verdeutlichen, daß im Rahmen der erfindungsgemäßen Lehre hervorragender Tropfenausstoß er reicht wurde.

BEISPIEL 3

Auf einem Substrat aus Aluminiumoxid wurde durch Aufsprühen eine SiO₂-Schicht mit einer Dicke von 3 mikron als untere Schicht ausgebildet. Nacheinander wurden darauf durch Auf sprühen eine HfB₂-Schicht mit einer Dicke von 1000 Å als Wi derstandsheizschicht sowie eine Al-Schicht mit einer Dicke von 3000 Å als Elektrodenschicht aufgebracht. Durch örtliches Ätzen wurde die Widerstandsheizschicht mit den Abmessungen 80 mikron × 200 mikron freigelegt. Eine SiO₂-Schicht mit einer Dicke von 0,5 mikron wurde dann als obere Schicht bzw. Schutzschicht durch Sprühen zur Vervollständigung des elek trothermischen Wandlers aufgebracht. Eine genutete Glasplatte mit einer Nut mit einer Breite von 80 mikron und einer Tiefe von 80 mikron wurde auf dieses Zwischenprodukt gesetzt und so damit verbunden, daß die Nut über der Heizoberfläche angeord net war. Die die Ausstoßöffnung aufweisende Fläche wurde so poliert bzw. geschliffen, daß der Abstand zwischen dem oberen Rand der Heizoberfläche und der Ausstoßöffnung 300 mikron be trug. Damit war der Schreibkopf fertiggestellt.

Dem Wärmeeinleitabschnitt wurde eine Tinte, die hauptsächlich aus schwarzer Farbe und Ethanol bestand, mit einem Überdruck von 0,1 atm zugeführt. Währenddessen wurde an den elek trothermischen Wandler für die Dauer von 10 Stunden ein Ein gangssignal mit Rechteckimpulsen von 10 µs und 40 V kontinu ierlich mit einer Periodendauer von 200 µs angelegt. Flüssig keitströpfchen wurden aus dem Schreibkopf mit hoher An sprechempfindlichkeit und Zuverlässigkeit in Abhängigkeit vom Eingangssignal ausgestoßen. Der Tropfenausstoßzustand beim Austreten aus der Ausstoßöffnung des Schreibkopfes sowie der Verlauf der Volumenänderung der auf der Heizoberfläche er zeugten Blase wurden untersucht, indem ein Blitzlicht syn chron zum Eingangssignal ein- und ausgeschaltet wurde. Die Ergebnisse sind in der anliegenden Tabelle 3 wiedergegeben. Es wurde außerdem die Impulsbreite des Eingangssignales und dadurch der Wert variiert. Dabei wurden der Tropfenaus stoßzustand, die maximale Ausstoßfrequenz, der Energiever brauch und die Tropfenausstoßgeschwindigkeit gemessen. Diese Messergebnisse sind ebenfalls in der Tabelle 3 wiedergegeben.

Wie die Messergebnisse zeigen, werden besonders günstige Aus stoßeigenschaften aufgrund der erfindungsgemäßen Maßnahmen erreicht.

Claims

Tintenstrahl-Schreibkopf
- a) mit zumindest einem Strömungskanal mit einer Aus stoßöffnung (5) zum Ausstoßen von Tintentropfen, deren jeder einen Wärmeeinleitabschnitt (7) enthält, der von der Ausstoßöffnung (5) beabstandet ist, und
- b) mit einem elektrothermischen Wandler (2) in jedem Wärmeeinleitabschnitt (7), der eine auf einem Substrat (3) angeordnete untere Schicht (10), eine darauf angeordnete Widerstandsheizschicht (11) und eine im Wärmeeinleitabschnitt (7) auf der Widerstandsheizschicht (11) angeordnete obere Schicht (12) umfaßt,
- c) wobei der Widerstandsheizschicht (11) über Elektroden (13, 14) Ansteuersignale zuführbar sind, und jeder Impuls des Ansteuersignales einen Ausstoß eines Tintentropfens verur sacht,
- d) wobei für die Anlegezeitdauer τ₀ der Ansteuersignale die Bedingung 0 τ₀ 10 µsec gilt, so daß die Abnahme des Volumens der erzeugten Blase der Bedingung τ₀ τ_1/2 10 τ₀ genügt, wobei τ_1/2 die Zeit ist, welche für die Abnahme des Volumens der Blase vom maximalen Wert Vmax des Blasenvolumens auf Vmax/2 benötigt wird, und
- e) wobei die Dicke L₁ der oberen Schicht (12), die Dicke L₂ der unteren Schicht (10), die Querschnittsfläche A_D des Strömungskanals an der Ausstoßöffnung (5), die Fläche A_H der Widerstandsheizschicht (11), die Frequenz f der Ansteuerim pulse und die Energie E der Ansteuerimpulse nach einer der Varianten (Lfd. Nr.) aus der nachfolgenden Tabelle gewählt werden: