DE3644642C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Flüssigkeitsstrahl- Schreibkopf, insbesondere zur Verwendung in einem Flüssigkeitsstrahl- Aufzeichnungsgerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiger Flüssigkeitsstrahl-Schreibkopf ist durch die DE-OS 32 24 081 bekannt.

Bei einem anderen, aus der DE-OS 29 18 737 bekannten Flüssigkeitsstrahl-Schreibkopf sind die Ausstoßöffnungen durch Strömungskanäle mit einer Flüssigkeitskammer verbunden. In jedem Strömungskanal sind im Abstand zu den Ausstoßöffnungen Energieübertragungselemente angeordnet, um die zum Ausstoß benötigte Energie impulsartig auf die Flüssigkeit zu übertragen. Um dabei eine Rückströmung in die Flüssigkeitskammer zu verhindern, ist in jedem Strömungskanal stromaufwärts des Energieübertragungselements quer zur Strömungsrichtung eine Wandung ausgebildet, die jedoch das Nachströmen der Flüssigkeit zur Ausstoßöffnung nur unwesentlich behindert.

Bei Tintenstrahldruckern moderner Bauart besteht einerseits die Forderung nach einem Druckbild mit möglichst hoher Auflösung, so daß beispielsweise Buchstaben in Schreibmaschinenqualität druckbar sind, andererseits sollen die erzielbaren Druckgeschwindigkeiten ausreichend groß sein, so daß derartige Tintenstrahldrucker beispielsweise mehreren Benutzern zugeordnet sein können. Es hat sich gezeigt, daß Drucker mit herkömmlichen Flüssigkeitsstrahl-Schreibköpfen diese gegensätzlichen Forderungen nicht erfüllen können. Bei den notwendigen hohen Tropfenausstoßfrequenzen entstehen ungleichförmige, instabile Tröpfchen, die zu einem unsauberen Schriftbild führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsbildenden Flüssigkeitsstrahl-Schreibkopf derart weiterzubilden, daß auch bei hohen Ausstoßfrequenzen ein gleichförmiger und stabiler Ausstoß von Tropfen gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Durch die Verjüngung des Strömungskanals in Richtung hin zur Ausstoßöffnung mit bestimmten Querschnittsverhältnissen und durch die Relativanordnung der Ausstoßöffnung und des Energieübertragungselements sowie die Anordnung des Wandelements in der Flüssigkeitskammer ist auch bei hohen Ausstoßfrequenzen eine kontinuierliche Zuführung von Flüssigkeit von der Flüssigkeitskammer durch die Strömungskanäle zu den Ausstoßöffnungen gewährleistet, wobei einer Rückströmung zur Flüssigkeitskammer vorgebeugt wird. Zum Ausstoß der Flüssigkeitstropfen wird bei dem erfindungsgemäßen Flüssigkeitsstrahl- Schreibkopf ein Minimum an Energie benötigt.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist Gegenstand des Unteranspruchs.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine auseinandergezogene Übersichtsdarstellung einer beispielhaften Konstruktion eines Flüssigkeitsstrahl- Schreibkopfes gemäß der Erfindung;

Fig. 2 und 3 Teilschnitte von Strömungskanälen in Ausführungsformen gemäß der Erfindung;

Fig. 4 ein Kurvenbild über die Beziehung zwischen der Nachfüllzeit und dem Verhältnis der Querschnittsflächen der Strömungskanäle für eine Flüssigkeitströpfchen- Ausstoßwiederholung, das durch Versuche mit dem erfindungsgemäßen Flüssigkeitsstrahl-Schreibkopf bestätigt ist;

Fig. 5 ein Kurvenbild über die Beziehung zwischen der Länge der Strömungskanäle und der durch Versuche bestätigten normierten Füllzeit des erfindungsgemäßen Flüssigkeitsstrahl-Schreibkopfes.

Der in Fig. 1 gezeigte Schreibkopf weist ein aus Glas, Keramik, Kunststoff oder Metall gebildetes Substrat 1 auf, auf dem in vorbestimmten Abständen Energieübertragungselemente 2 angeordnet sind. Ein dem Substrat 1 integrierend überlagertes, Strömungskanäle bildendes Teil 3 ist mit Strömungskanälen 4 an den Energieübertragungselementen 2 entsprechenden Stellen versehen. Die Querschnittsfläche der einzelnen Strömungskanäle 4 nimmt allmählich ab, so daß sie sich von einer Schreibflüssigkeitskammer 5 zu den Austritts- oder Düsenöffnungen 6 hin verjüngen.

Die Energieübertragungselemente 2 sind elektrisch mit einer (nicht gezeigten) Elektrode, die ein Erregungssignal liefert, verbunden, so daß durch dieses Erregungssignal aus den Öffnungen 6 Flüssigkeit ausgestoßen werden kann.

Bei der Herstellung eines derartigen Flüssigkeitsstrahl- Schreibkopfes wird ein lichtempfindliches Material, z. B. ein lichtempfindlicher, abbindender Harzfilm, zuerst auf dem aus einem Material der obengenannten Art bestehenden Substrat 1 durch ein geeignetes Verfahren, z. B. ein Laminierverfahren, gebildet, worauf, wie es üblich ist, mittels der Photolithographietechnik od. dgl. Schreibflüssigkeit-Kanalwandteile 3A und Schreibflüssigkeit-Kammerwandteile 3B gefertigt werden.

Außerdem werden an der der Schreibflüssigkeitskammer 5 benachbarten Seite der Strömungskanäle 4 kleine Wände 10 angeordnet, die mittels der Photolithographietechnik gebildet werden können, wenn die Wandteile 3A, 3B usw. gefertigt werden.

Hierauf kann eine obere Abdeckung 3c mit der Konstruktion verbunden werden, so daß ein mit den Flüssigkeits- oder Strömungskanälen 4 und der Schreibflüssigkeitskammer 5 versehener unitärer Schreibkopf entsteht. Der mit der oberen Abdeckung 3c verbundene Teil ist in Fig. 1 nicht gezeigt.

Im folgenden wird auf den Aufzeichnungs- oder Schreibvorgang des Flüssigkeitsstrahl-Schreibkopfes mit dem oben beschriebenen Aufbau eingegangen.

Durch eine (nicht gezeigte) Zufuhreinrichtung in den Schreibkopf eingebrachte Schreibflüssigkeit füllt die Schreibflüssigkeitskammer 5 sowie die Strömungskanäle 4 und bildet durch die Oberflächenspannung der Flüssigkeit selbst an den Öffnungen 6 einen Meniskus. Wenn den am Substrat 1 vorhandenen Energieübertragungselementen 2 ein Erregungssignal zugeführt wird, wird der Schreibflüssigkeit eine plötzliche Ausstoßenergie vermittelt, so daß von den Öffnungen 6 Flüssigkeitströpfchen ausgestoßen werden. Durch diesen Ausstoß der Schreibflüssigkeit wird an den Öffnungen 6 ein stark konkav zurückgezogener Meniskus gebildet und die Strömungskanäle 4 in diesen Teilen werden sofort wieder durch von der Flüssigkeitskammer 5 herangeführte Flüssigkeit durch deren Oberflächenspannung gefüllt. Das bedeutet, daß die physikalische Erscheinung des in diesem Zustand gebildeten Meniskus stark auf den Flüssigkeitsnachfüllvorgang auf Grund der Verjüngung der Strömungskanäle 4 zu den Öffnungen 6 hin einwirkt, und während die Fläche der Öffnungen 6 sowie die Länge der Strömungskanäle 4 konstant gehalten werden, wird die Querschnittsfläche der Flüssigkeitskanäle 4 von den Öffnungen 6 zur Schreibflüssigkeitskammer 5 hin vergrößert, so daß das Nach- oder Wiederfüllen der Schreibflüssigkeit leichter wird und innerhalb kurzer Zeit abgeschlossen ist.

Die maximale Wiederholungsfrequenz im Ausstoßen der Flüssigkeitströpfchen wird durch eine Zeit T, die für das Nachfüllen erforderlich ist, beeinflußt. Ein Abkürzen der Zeit T bewirkt eine Erhöhung der maximalen Frequenz. Um die Nachfüllzeit T zu verkürzen, kann der Widerstand gegenüber der Flüssigkeit in den Kanälen 4 verkleinert werden. Insbesondere ist ein Verfahren zur Verringerung der Länge L der Strömungskanäle 4 oder zur Vergrößerung der Querschnittsfläche dieser Kanäle 4 denkbar.

Wenn die Länge L der Strömungskanäle 4 verringert wird, so wird sich jedoch der Verlust an Ausstoßenergie auf der Seite der Flüssigkeitskammer 5 erhöhen, weshalb die Fluggeschwindigkeit der Flüssigkeitströpfchen niedrig und unstabil werden wird. Auch wird, wenn die Querschnittsfläche der Strömungskanäle 4 vergrößert wird, der Grad, mit dem die Ausstoßenergie für den Ausstoß der Flüssigkeitströpfchen ausgenutzt wird, gering, weshalb die Fluggeschwindigkeit der Flüssigkeitströpfchen wiederum niedrig und unstabil werden wird. Um die Zeit T zu verkürzen, könnte ferner der Widerstand des Strömungskanals zwischen den Energieübertragungselementen in den Kanälen 4 und der Flüssigkeitskammer 5 vermindert werden, ohne die Querschnittsfläche der Strömungskanäle zwischen den Öffnungen 6 und den Energieübertragungselementen 2 zu vergrößern. Zu diesem Zweck wäre es denkbar, die Querschnittsfläche der Flüssigkeitskanäle zwischen den Energieübertragungselementen 2 und der Flüssigkeitskammer zu vergrößern, jedoch ist das nicht zu bevorzugen, weil im Fluß der Schreibflüssigkeit eine Stagnation hervorgerufen und eine Störung des Flusses während des Nachfüllens verursacht wird. Durch eine aufeinanderfolgende Verminderung der Querschnittsfläche mit einem vorbestimmten Ausmaß einer sukzessiven Abnahme von der Seite der Flüssigkeitskammer 5 aus zu den Öffnungen 6 hin, wie die Ausführungsform gemäß der Erfindung vorsieht, kann nun die Nachfüllzeit T, ohne irgendeine Störung im Fluß der Schreibflüssigkeit während des Nachfüllens hervorzurufen, verkürzt und darüber hinaus der Verlust an Druckkraft vermindert werden.

Es sei nun angenommen, daß in Fig. 1 die Querschnittsfläche an den Öffnungen 6 gleich S₁ ist, daß die Querschnittsfläche der Strömungskanäle 4 am der Flüssigkeitskammer 5 benachbarten Ende der Energieübertragungselemente 2 gleich S₂ ist, daß das Verhältnis S₂/S₁=r ist, daß die Länge der Strömungskanäle 4 gleich L₁ ist und daß die Länge der Strömungskanäle von den Öffnungen 6 bis zum rückwärtigen Ende der Energieversorgungselemente 2 gleich L₂ ist.

Die Fig. 2 und 3 zeigen die relativen Lagebeziehungen zwischen dem Energieübertragungselement 2 und einem Strömungskanal 4 und einer Öffnung 6 sowie des Wandelementes 10.

Die Fig. 3 zeigt eine gegenüber Fig. 2 abgewandelte Ausführungsform gemäß der Erfindung, die sich dadurch auszeichnet, daß der Grad in der sukzessiven Verminderung der Querschnittsfläche der Strömungskanäle 4 nahe den Öffnungen 6 größer wird. In diesem Fall ist die mit dem Querschnittsflächenverhältnis r zusammenhängende Querschnittsfläche S₁ des Öffnungsbereichs durch die Querschnittsfläche an der Stelle 6′ in Fig. 3 bestimmt. Durch diese teilweise Steigerung im Grad der sukzessiven Verminderung wird die Flugrichtung der Aufzeichnungströpfchen stabiler und die Fluggeschwindigkeit größer, so daß ein gleichförmigeres Drucken verwirklicht werden kann.

Durch das Vorhandensein der Wandelemente 10 kann der Verlust an von den Energieübertragungselementen 2 an die Schreibflüssigkeit übertragener und zur Flüssigkeitskammer 5 hin entweichender Energie vermindert werden, wodurch das Ausstoßen weiter stabilisiert werden kann. Die Wandelemente 10 sind für die wirksame Nutzung der Ausstoßenergie bestimmt, und ihre Größe sowie Gestalt kann in irgendeiner Weise gewählt werden, solange die Wände den vorgesehenen Zweck erfüllen. Bei den gezeigten Ausführungsformen sind die Wandelemente 10 in der Schreibflüssigkeitskammer 5 angeordnet.

Seitens der Anmelderin wurden bezüglich der Fertigung der Flüssigkeitskanäle 4 Versuche durchgeführt. Es wurde das in Fig. 4 gezeigte Versuchsergebnis mit Bezug auf die Änderung in der Nachfüllzeit T₁ mit 1≦r≦10 erhalten. Die Nachfüllzeit T₁ ist mit dem Wert der Nachfüllzeit für r=1 normiert. Es wurde deutlich, daß eine große Wirkung in der Verkürzung der Zeit T₁ erhalten wird, wenn man das Verhältnis r, wie die Fig. 4 zeigt, größer als 1,0 macht. Je größer das Verhältnis r ist, umso kürzer ist die Zeit T₁, jedoch wird das Ausmaß der Wirkung allmählich geringer.

Mit einer Vergrößerung des Verhältnisses r wächst die Querschnittsfläche der Strömungskanäle in dem Teil, in dem die Energieübertragungselemente 2 angeordnet sind, an, weshalb sich der Grad, mit dem die Ausstoßenergie für den Flug der Flüssigkeitströpfchen ausgenutzt wird, vermindert, und das führt zu der Tendenz, daß eine Herabsetzung der Fluggeschwindigkeit und Instabilität das Ergebnis sind. Der Einbau der Wandelemente 10 ist dagegen wirksam. Günstig ist der Bereich von 1≦r≦5.

Was die Beziehung zwischen den Längen L₁ und L₂ in den Strömungskanälen 4 betrifft, so kann, wenn die Länge L₁ des gesamten Strömungskanals relativ verkürzt wird, die normierte Nachfüllzeit T₂, die durch Normieren der Nachfüllzeit mit dem Wert der Nachfüllzeit L₁=L₂ erhalten wird, verkürzt werden, wie die Fig. 5 zeigt, und die Wirkung ist insbesondere groß, wenn L₂≦L₁≦5 L₂ ist. Andererseits erhöht sich, wenn L₁ kürzer gemacht wird, der Verlust an Ausstoßenergie der Energieübertragungselemente zur Flüssigkeitskammer hin, weshalb die Fluggeschwindigkeit der Flüssigkeitströpfchen kleiner und unstabil wird, wodurch eine Störung im Drucken hervorgerufen wird. Es wurde nun gefunden, daß bei einer Anordnung der Wandelemente 10 innerhalb eines rückwärts von den Energieerzeugungselementen 2 gelegenen Bereichs um L₂ bis 3L₂ eine Störung im Drucken, selbst wenn L₁=L₂ ist, nicht auftritt. Es ist hervorzuheben, daß L₁<L₂ unerwünscht ist, weil dadurch der Verlust in der Ausstoßenergie der Energieübertragungselemente 2, die zur Flüssigkeitskammer 5 hin entweicht, stark ansteigt.

Es ist somit festgestellt worden, daß dann, wenn die Länge L₁ der Strömungskanäle 4 mit L₂≦L₁≦5,0 L₂ bestimmt wird und das Verhältnis r der Querschnittsflächen der Kanäle im Bereich von 1,0<r≦5,0 liegt sowie die Wandelemente 10 im Bereich des Abstandes L₂ bis 3 L₂ rückwärts von den Energieübertragungselementen 2 in der Flüssigkeitskammer 5 angeordnet sind, eine Störung im Drucken nicht hervorgerufen und der Flug nicht unstabil wird. Aus der Fig. 4 ergibt sich klar, daß r<5 zur Verkürzung der Zeit T₁ weniger wirksam ist.

Die Verwendung eines Hitze erzeugenden Elements als Energieübertragungselement eines Schreibkopfes gemäß der Erfindung ist für ein Aufzeichnen mit hoher Dichte und mit hoher Qualität vorzuziehen. Vor allem ist die Verwendung eines elektrothermischen Wandlerelements als Energieübertragungselement für die Verwirklichung der mit der Erfindung verfolgten Ziele und für die Herstellung des Schreibkopfes vorzuziehen.

Claims (2)

1. Flüssigkeitsstrahl-Schreibkopf mit Ausstoßöffnungen zum Ausstoßen von Flüssigkeit, die jeweils mittels eines Strömungskanals mit einer die Flüssigkeit aufnehmenden Flüssigkeitskammer verbunden sind, und mit Energieübertragungselementen, insbesondere elektrothermischen Wandlerelementen, die in jedem der Strömungskanäle angeordnet sind, um auf die Flüssigkeit die zum Ausstoßen benötigte Energie zu übertragen, wobei sich die Querschnittsfläche des einzelnen Strömungskanals von der Flüssigkeitskammer aus bis zur Ausstoßöffnung des Strömungskanals fortlaufend allmählich vermindert, dadurch gekennzeichnet, daß für die Länge L₁ des Strömungskanals (4) und den Abstand L₂ zwischen der Ausstoßöffnung (6) und dem stromauf gelegenen Ende des Energieübertragungselementes (2) die Beziehung erfüllt ist L₂ L₁ 5 L₂daß für den Quotienten aus der Querschnittsfläche S₂ des Strömungskanals (9) am stromauf gelegenen Ende des Energieübertragungselementes (2) und der Querschnittsfläche S₁ des Strömungskanals (4) an der Ausstoßöffnung (6) die Beziehung erfüllt ist,1,0 < S₂/S₁ 5,0und daß stromauf jedes Energieübertragungselementes (2) innerhalb der Flüssigkeitskammer (5) ein Wandelement (10) derart angeordnet ist, daß es eine Rückströmung der Flüssigkeit im Strömungskanal (4) in Richtung zur Flüssigkeitskammer (5) behindert, die Nachströmung der Flüssigkeit in den Strömungskanal (4) jedoch nur unwesentlich behindert.

2. Flüssigkeitsstrahl-Schreibkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskanal (4) an der Ausstoßöffnung (6) zusätzlich verengt ist (Fig. 3).