DE3539095C2 - Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Flüssigkeitsstrahl- Aufzeichnungskopf, der durch Ausstoßen einer Flüssigkeit Tröpfchen bildet, um eine Abbildung od. dg. aufzuzeichnen.

Anschlaglose Aufzeichnungs- oder Schreibverfahren gewinnen immer mehr Anziehungskraft, da die Geräusche beim Aufzeichnen vernachlässigbar gering sind. Unter diesen Verfahren ist das Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungsverfahren (Tintenstrahl-Aufzeichnungsverfahren) besonders erfolgversprechend, weil es für eine Aufzeichnung mit hoher Geschwindigkeit auf Normal-Papier ohne einen besonderen Fixierschritt geeignet ist.

Aus diesem Grund sind verschiedene Arbeitsprinzipien und entsprechende Vorrichtungen oder Geräte vorgeschlagen worden, von denen einige bereits praktisch angewendet werden, andere aber noch im Entwicklungsstadium sind.

So wird in der DE 25 05 590 A1 eine Einrichtung zum Ergänzen von Tinte in der diese abgebenden Düse eines Tintenspritzsystems offenbart. Danach ist ein Flüssigkeitskanal in eine Vielzahl von Strömungskanälen unterteilt, wobei die Strömungskanäle so ausgeführt sind daß sich die von einem Keramikschwinger in einer gemeinsamen Druckkammer induzierte Druckwelle in besonderer Weise im Bereich der Ausstoßöffnung überlagert. Dieses Prinzip setzt voraus, daß in den Strömungskanälen nahezu gleichphasige Strömungsgeschwindigkeiten induziert werden. Die Schaffung dieser Voraussetzung erfordert einen hohen gerätetechnischen Aufwand.

In der DE 24 55 247 B1 wird ein Düsendrucker gezeigt, dem die Aufgabe zugrunde liegt, Tinte auch in die kritischen Bereiche eines Spritzsystems zu leiten, um die dort stehende Tinte zu regenerieren. Jedoch ist das zu verdrängende Volumen noch relativ groß, so daß auch die Aufzeichnungsgeschwindigkeit noch gering ist.

Die Druckschrift "Patents Abstract of Japan", M-182, 25. Dezember 1982, Vol. 6, Nr. 267 (zugehörig zur JP 57-159 658 A) offenbart einen Kopf für ein Tintenschreibwerk, dessen Versorgung mit Tinte mittels eines Haupts- und eines Hilfsflüssigkeitskanals (Bypaßkanal F) realisiert wird. Nach der technischen Lehre dieser Erfindung zweigt der Bypaßkanal F von einem gemeinsamen Tintenversorgungskanal D ab, dem eine Tintenversorgungskammer vorgeschaltet ist. Die Bereitstellung einer ausreichenden Tintenmenge, wie sie für den Hochgeschwindigkeitsdruckvorgang benötigt wird, ist durch die Kapazitätsbegrenzung des Tintenversorgungskanals D nicht befriedigend gegeben. Weiterhin ist die in dieser Druckschrift offenbarte Druckkopfkonstruktion für die Massenfertigung wenig geeignet, da relativ viel Einzelelemente erforderlich sind.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf anzugeben, der sich durch eine verringerte Rückstellzeit für den Meniskus auszeichnet und darüberhinaus ein einfaches Herstellungsverfahren ermöglichen soll.

Erfindungsgemäß wird ein Flüssigkeitsstrahl- Aufzeichnungskopf mit einer Ausstoßöffnung und Flüssigkeitskanälen geschaffen, die eine Flüssigkeitskammer mit der Ausstoßöffnung verbinden. Im Strömungsweg der Flüssigkeitskanäle ist jeweils ein Energiewandlerelement vorgesehen, das auf die Flüssigkeit Energie für einen Flüssigkeitsausstoß aufbringt. Die Flüssigkeitskanäle bestehen aus einem Haupt- und einem Hilfsflüssigkeitskanal. Das Energiewandlerelement ist der Länge nach im Haupt- Flüssigkeitskanal positioniert. Der Hilfs-Flüssigkeitskanal ist mit dem Haupt-Flüssigkeitskanal an einem stromab gelegenen Bereich einschließlich des Ortes des Energiewandlerelements über einen Verbindungskanal verbunden. Der Aufzeichnungskopf ist in Laminattechnik aufgebaut und weist mehrere Haupt-Flüssigkeitskanäle auf, die sich in einer Ebene geradlinig von der Flüssigkeitskammer zur Flüssigkeitsausstoßöffnung erstrecken. Ein einzelner Hilfsflüssigkeitskanal, der von der Flüssigkeitskammer ausgeht, ist dem Haupt-Flüssigkeitskanal benachbart angeordnet, wobei das Energiewandlerelement von einem länglichen, elektromechanischen Wandler gebildet ist, der in dem der Flüssigkeitsausstoßöffnung zugewandten Bereich des Haupt-Flüssigkeitskanals angeordnet ist, wobei der Querschnitt des Verbindungskanals nicht größer ist als der doppelte Querschnitt des Haupt-Flüssigkeitskanals.

Der Erfindungsgegenstand wird anhand von Zeichnungen erläutert.

Die Fig. 1A zeigt schematisch einen Schnitt durch eine Ausführungsform eines Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungs­ kopfes, während die Fig. 1B den Schnitt nach der Linie C-C in der Fig. 1A zeigt.

Ein Substrat 103 ist mit einem in dieses eingebetteten elektromechanischen Wandler (im folgenden als "Piezoelement" bezeichnet) 301 versehen. Auf das Substrat 103 sind Wandteile 104 in drei Lagen und eine Platte 105 geschichtet, um Haupt- sowie Hilfs-Flüssigkeitskanäle 201 bzw. 202 und Verbindungskanäle 203 zu bilden. Die über eine Zufuhröffnung in den Kopf eingebrachte Schreibflüssigkeit füllt die Flüssigkeitskammer 107, den Haupt- sowie Hilfs- Flüssigkeitskanal 201 bzw. 202 sowie den Verbindungskanal 203 und bildet an der Flüssigkeitsausstoßöffnung 109 einen Meniskus. Für jeden Flüssigkeitskanal ist das Piezoelement 301 von länglicher, rechteckiger Gestalt in das Substrat 103 eingebettet, und es wird bei Zufuhr von elektrischer Energie verformt, so daß auch das den Boden des Haupt- Flüssigkeitskanals 201 bildende Substrat 103 einer Verformung unterworfen wird, um das Volumen des Kanals zu verringern; auf diese Weise wird die im Hauptflüssigkeitskanal 201 enthaltene Flüssigkeit an der Flüssigkeitsausstoßöffnung 109 ausgestoßen und bildet Flüssigkeitströpfchen. Da die durch ein elektrisches Signal hervorgerufene Verformung des Piezoelements 301 sehr klein pro Flächeneinheit ist, muß das Piezoelement 301 im Flüssigkeitskanal eine große Fläche einnehmen, um eine gewünschte Menge an Schreibflüssigkeit auszustoßen. Um eine hohe Düsen- oder Öffnungsdichte für eine feine, hohe Druckqualität zu erlangen, ist es deshalb notwendig, die Piezoelemente 301 auf dem Substrat 103 mit einer kleinen Teilung oder mit geringem Abstand anzuordnen. Aus diesem Grund soll das Piezoelement 301 die oben erwähnte lange und rechteckige Gestalt haben, die einen entsprechend langen Strömungsweg zur Folge hat, wodurch der Strömungswiderstand erhöht und die zum Ausstoßen der Flüssigkeit verfügbare Kapazität vergrößert wird. Andererseits erfordert eine solche Konstruktion einen längeren Zeitraum für die Ergänzung der Schreibflüssigkeit und hat deshalb einen mäßigen Frequenzgang. Es wird jedoch die Schreibflüssigkeit, wie Fig. 1 zeigt, durch den Hilfs- Flüssigkeitskanal 202 und den Verbindungskanal 203 wie auch durch den Haupt-Flüssigkeitskanal 201 in die Nähe des nach dem Flüssigkeitsausstoß an der Flüssigkeitsausstoß-Öffnung 109 zurückgewichenen Meniskus zugeführt. Demzufolge hat ein solcher Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf trotz des Vorhandenseins eines langen Strömungskanals mit einem hohen Strömungswiderstand insgesamt einen geringen, niedrigen Strömungswiderstand, womit ein zufriedenstellender Frequenzgang und eine ausreichend hohe Ausstoßkapazität, wie wenn der Strömungsweg kürzer ist, erreicht werden. Auch kann wie bei der vorherigen Ausführungsform ein stabiler Aufzeichnungsvorgang selbst nach einer langen Pause sofort begonnen werden.

In Fig. 2A ist in einem Längsschnitt eine weitere Ausführungsform eines Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopfes dargestellt, wobei die Fig. 2B den Schnitt nach der Linie D-D in der Fig. 2A zeigt.

In ein Substrat 103 sind Piezoelemente 301 eingebettet, und auf das Substrat sind Wandteile 104 in drei Lagen sowie eine Platte 105 geschichtet, um Haupt- sowie Hilfs- Flüssigkeitskanäle 201 sowie 202 und Verbindungskanäle 203 wie bei der vorherigen Ausführungsform zu bilden. Bei der in Rede stehenden Ausführungsform sind weitere Wandteile 104 und eine weitere Platte 105 auch an der Unterseite des Substrats 103 schichtweise angebracht, um Hilfs- Flüssigkeitskanäle 202 und Verbindungskanäle 203 zu bilden. Bei dieser Ausführungsform wird die Schreibflüssigkeit an den Flüssigkeitsausstoßöffnungen 109 durch eine ausgewählte Zufuhr von Spannung zu (nicht gezeigten) Elektroden der Piezoelemente 301 entsprechend demselben Arbeitsprinzip wie bei der obigen Ausführungsform ausgestoßen. Nach dem Flüssigkeitsausstoß wird die Schreibflüssigkeit zur Ergänzung in die Nachbarschaft des zurückgezogenen Meniskus zugleich durch den erstgenannten Hilfs-Flüssigkeitskanal 202 sowie Verbindungskanal 203, die von den auf dem Substrat 103 angeordneten Wandteilen 104 gebildet werden, und durch den durch die Wandteile 104 sowie die Platte 105, die unter dem Substrat 103 angeordnet sind, gebildeten Hilfs-Flüssigkeitskanal 202 sowie einen im Substrat 103 zur Verbindung des (unteren) Hilfs-Flüssigkeitskanals 202 mit dem der Flüssigkeitsausstoßöffnung 109 benachbarten Bereich ausgestalteten Verbindungskanal 203 wie auch durch einen weiteren Verbindungskanal 203 zwischen der Flüssigkeitskammer 107 und dem (unteren) Hilfs- Flüssigkeitskanal 202 geführt. Demzufolge wird trotz der Anwendung eines langen Haupt-Flüssigkeitskanals 201 eine extrem rasche Ergänzung der Schreibflüssigkeit ermöglicht, womit ein Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf mit einem zufriedenstellenden Frequenzgang und einer ausreichend hohen Ausstoßkraft erlangt wird.

Der hier gebrauchte Begriff des Flüssigkeits- oder Strömungsweges bedeutet einen Weg für eine Flüssigkeitsströmung, der einen Tinten- und Flüssigkeitsbehälter, eine Zuleitung von diesem Behälter zur Flüssigkeitskammer 107 die Flüssigkeitskammer 107, einen Haupt-Flüssigkeitskanal 201 zur Zufuhr der Flüssigkeit von der Flüssigkeitskammer 107 zur Flüssigkeitsausstoßöffnung 109 einen Hilfs- Flüssigkeitskanal 202, einen den Haupt- mit dem Hilfs- Flüssigkeitskanal 201, 202 verbindenden Verbindungskanal 203 umfaßt.

Bei dem Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf soll wenigstens zusätzlich zum Haupt-Flüssigkeitskanal 201 ein Hilfs-Flüssigkeitskanal 202 vorgesehen werden, der ober- oder unterhalb des Haupt- Flüssigkeitskanals 201 angeordnet werden kann. Die Verbindungsöffnung zwischen dem Hilfs- und dem Haupt- Flüssigkeitskanal 202, 201 wird vorzugsweise in der Energieerzeugungskammer und/oder in deren Nähe angeordnet, mehr wird jedoch eine Stelle bevorzugt, die in einem Abschnitt zwischen der Flüssigkeits-Ausstoßöffnung 109 und der Energieerzeugungskammer - einschließlich dieser Kammer selbst - liegt, und vor allem wird der Abschnitt bevorzugt, der sich zwischen der Flüssigkeits-Ausstoßöffnung 109 und der Energieerzeugungskammer befindet, diese Kammer selbst jedoch nicht einschließt. Die oben angegebene Position ist anzustreben, um nicht nur die vom Energieerzeugungselement erzeugte Energie wirksam auf die Flüssigkeit zu übertragen, sondern auch um eine ausreichende Flüssigkeitszufuhr bzw. -versorgung zu erreichen. Aus gleichartigen Gründen sollte der Querschnitt der Verbindungsöffnung vorzugsweise nicht den doppelten Querschnitt des Haupt-Flüssigkeitskanals 201 übersteigen, wobei noch mehr bevorzugt wird, daß er den einfachen Querschnitt dieses Flüssigkeitskanals nicht überschreitet, und es wird vor allem bevorzugt, daß er nicht größer ist als der Querschnitt der Flüssigkeits-Ausstoßöffnung 109. Die Ausgestaltung und die Abmessung des Hilfs-Flüssigkeits- sowie des Verbindungskanals 201, 203 können unter Berücksichtigung von Einschränkungen bezüglich der Herstellung und innerhalb eines Bereichs, der das Erreichen der beschriebenen Ziele in Beziehung zur Gestalt und Abmessung des Haupt-Flüssigkeitskanals ermöglicht, in geeigneter, zweckmäßiger Weise gewählt werden.

Eine spanende Bearbeitung, ein Schleifen oder Gießen, z. B. Formpressen, sind oft nicht dazu imstande, eine hohe Düsendichte erreichen zu lassen sowie feine bauliche Ausführungen zu verwirklichen, und sie sind ein Hindernis für Massenproduktion sowie in Bezug auf die Kosten. Die Verwendung eines lichtempfindlichen Materials jedoch, z. B. eines lichtempfindlichen Harzes oder Glases, für die Wandteile der Flüssigkeitskanäle bietet die Möglichkeit, feine bauliche Ausführungen mit einer zufriedenstellenden Präzision und ohne einen wesentlichen Einfluß auf die Produktivität zu erhalten.

Für die beschriebenen Ausführungsformen können die meisten der üblicherweise auf dem Gebiet der Photolithographie bekannten lichtempfindlichen Zusammensetzungen verwendet werden, wobei als Beispiele zu nennen sind: p-Diazochinon, photopolymerisierbare Photopolymere unter Verwendung von z. B. einem Vinylmonomeren und einem Polymerisationsinitiator, Dimerphotopolymere unter Verwendung von z. B. Polyvinylzinnamat und einem Sensibilisator, eine Mischung eines o-Naphtachinondiazids und eines Phenolharzes vom Novolacktyp, Photopolymere des Polyäthertyps, die durch eine Kopolymerisation von beispielsweise 4-Glycidyläthylenoxid und Benzophenon oder Glycidylcalcon erhalten wurden, Kopolymere von N,N- Dimethylmethacrylamid z. B. mit Akrylamidbenzophenon, ungesättigte lichtempfindliche Polyesterharze, lichtempfindliche Harze auf der Basis von ungesättigten Urethanoligomeren, lichtempfindliche Zusammensetzung, die aus einer Mischung eines difunktionellen Akrylmonomeren, eines Photopolymerisationsinitiators und eines Polymeren bestehen, Photolack des Chromattyps, nichtchromatische wasserlösliche Photolacke, Photolacke vom Polyvinylzinnamattyp, zyklische Kautschukazid-Photolacke u. dgl. Zusammensetzungen.

Bei der beschriebenen Ausführungsform ist für mehrere Haupt-Flüssigkeitskanäle 201 ein Hilfs-Flüssigkeitskanal 202 vorgesehen, jedoch ist es auch möglich, jeden Haupt- Flüssigkeitskanal 201 mit einem Hilfs-Flüssigkeitskanal 202 oder mehreren Hilfs-Flüssigkeitskanälen 202 zu versehen, solange eine ausreichende Flüssigkeitsversorgung und eine zufriedenstellende Unterbindung eines Energieverlusts sichergestellt sind. Im Hinblick auf die Ergänzung der Flüssigkeit und eine erleichterte Herstellung sollte jedoch der Hilfs-Flüssigkeitskanal 202 vorzugsweise mehrere Haupt- Flüssigkeitskanäle 201 versorgen.

Wie sich aus der obigen Beschreibung ergibt, wird ein Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf geschaffen, der eine Düsenanordnung von hoher Dichte hat, der zu einem Aufzeichnen mit hoher Geschwindigkeit bei einem zufriedenstellenden Frequenzgang und einer zufriedenstellenden Abbildungsqualität imstande ist und der sofort einen stabilen Aufzeichnungsvorgang ohne besondere Schritte sowie Tätigkeiten auch nach einer längeren Pause oder Unterbrechung beginnen kann. Die Verwendung von lichtempfindlichem Material, wie lichtempfindliches Harz oder Glas, als das die Flüssigkeitskanäle bildende oder abgrenzende Material erleichtert eine feine, genaue Ausbildung aller Bauteile und des gesamten Kopfes. Der einen stabilen, beständigen Aufzeichnungsvorgang mit einer hohen Abbildungsqualität ermöglichende Flüssigkeits- Aufzeichnungskopf kann mit geringen Kosten in einem relativ einfachen, für eine Massenproduktion geeigneten Verfahren gefertigt werden, wobei eine höhere Dichte in der Anordnung der Düsen und die Bildung von Flüssigkeitskanälen mit hoher Präzision erreicht werden.

Beispiel

Ein Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf mit dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau wurde mit einem lichtempfindlichen Harz als Material für die Bildung der Flüssigkeitskanäle gefertigt.

Dieser Aufzeichnungskopf wurde an einem Flüssigkeitsstrahl- Aufzeichnungsgerät angebracht und Untersuchungen in Bezug auf den Frequenzgang sowie auf die Sicherheit im Aufzeichnungsbetrieb nach einer längeren Pause unterworfen.

Die in der Tabelle 1 zusammengestellten Ergebnisse zeigen für den Aufzeichnungskopf, daß er in der Lage ist, ein Aufzeichnen mit hoher Geschwindigkeit auszuführen, und daß er einen sicheren Aufzeichnungsbetrieb nach einer längeren Unterbrechung gewährleistet.

Claims (7)

1. Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf mit einer Flüssigkeitsausstoßöffnung und Flüssigkeitskanälen, die eine Flüssigkeitskammer mit der Flüssigkeitsausstoßöffnung verbinden und in denen im Strömungsweg der Flüssigkeit ein Energiewandlerelement vorgesehen ist, das auf die Flüssigkeit Energie für einen Flüssigkeitsausstoß aufbringt, wobei die Flüssigkeitskanäle aus Haupt- und Hilfs-Flüssigkeitskanal bestehen und das Energiewandlerelement der Länge des Haupt- Flüssigkeitskanals nach positioniert ist, und wobei der Hilfs-Flüssigkeitskanal mit dem Haupt-Flüssigkeitskanal über einen Verbindungskanal an einem stromab gelegenen Bereich einschließlich des Ortes des Energiewandlerelements in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufzeichnungskopf in Laminattechnik aufgebaut ist und daß mehreren Haupt-Flüssigkeitskanälen (201), die sich in einer Ebene geradlinig von der Flüssigkeitskammer (107) zur Flüssigkeitsausstoßöffnung (109) erstrecken, ein einzelner, von der Flüssigkeitskammer (107) ausgehender und den Haupt-Flüssigkeitskanälen (201) benachbart angeordneter Hilfs-Flüssigkeitskanal (202) zugeordnet ist, wobei das Energiewandlerelement von einem länglichen, elektromechanischen Wandler (301) gebildet ist, der in dem der Flüssigkeitsausstoßöffnung (109) zugewandten Bereich des Haupt-Flüssigkeitskanals (201) angeordnet ist, wobei der Querschnitt des Verbindungskanals (203) nicht größer ist als der doppelte Querschnitt des Haupt- Flüssigkeitskanals (201).

2. Aufzeichnungskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektromechanische Wandler (301) von einem in ein Substrat (103) eingebetteten piezoelektrischen Element gebildet ist.

3. Aufzeichnungskopf nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Haupt-Flüssigkeitskanal (201) auf der dem Hilfs- Flüssigkeitskanal (202) entgegengesetzten Seite ein weiterer Hilfs-Flüssigkeitskanal (202) parallelgeschaltet ist, der von der Flüssigkeitskammer (107) ausgeht und in den Haupt- Flüssigkeitskanal (201) an einem stromab gelegenen Bereich einschließlich des Ortes des Energiewandlerelements (elektromechanischer Wandler (301)) mündet.

4. Aufzeichnungskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungskanal (203) stromab des Energiewandlerelements (elektromechanischer Wandler (301)) in den Haupt-Flüssigkeitskanal (201) mündet.

5. Aufzeichnungskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gestaltung der Kanäle lichtempfindliche Materialien verwendet werden.

6. Aufzeichnungskopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindlichen Materialien von lichtempfindlichem Harz und/oder lichtempfindlichem Glas gebildet sind.

7. Aufzeichnungskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfs-Flüssigkeitskanal (202) oberhalb des Haupt- Flüssigkeitskanals (201) angeordnet ist.