DE3705447A1

DE3705447A1 - Tintenstrahldruckkopf mit dynamisch gefluteten duesenvorraeumen

Info

Publication number: DE3705447A1
Application number: DE19873705447
Authority: DE
Inventors: Ingo Dr Ing Michel; Wolfgang Zweigler
Original assignee: Robotron VEB
Current assignee: Robotron AG
Priority date: 1986-06-18
Filing date: 1987-02-20
Publication date: 1987-12-23
Also published as: DD250091A1; DD250091B1

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen ein- oder mehrdüsig ausgebildeten Tintenstrahldruckkopf mit dynamisch gefluteten Düsenvorräumen, insbesondere die Gestaltung und Flutung der den Düsenbohrungen vorgelagerten Düsenvorräume, deren Anwendung bei Tintenstrahldruckköpfen in ein- oder mehrfarbig arbeitenden Tintenstrahldruckeinrichtungen mit diskontinuierlicher Tropfenerzeugung zweckmäßig ist.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Einfache Tintenstrahldruckköpfe, die im wesentlichen aus einem Tintenvorratsbehälter, Zulaufkanälen, Dämpfungseinrichtungen, Druckkammern mit zur Erzeugung kurzzeitiger Druckimpulse dienenden Antriebselementen, gegebenenfalls auch Ablaufkanälen sowie unmittelbar nach außen führenden Düsen bestehen, weisen im allgemeinen den Nachteil auf, daß es an der Außenseite der Düse, in Abhängigkeit von den Tintenparametern (insbesondere bei geringer Viskosität), der Nutzungsdauer, der Tropfenfrequenz und des Verschmutzungsgrades, zu unerwünschten Benetzungen kommt, die die Tropfenbildung behindern und zu Richtungsfehlern der Tintenstrahlen und unterschiedlichen Tropfengeschwindigkeiten führen.

Die in diesem Zusammenhang bekannt gewordenen Lösungen, die Düsenplatten durch spezielle Oberflächenbehandlung (Hydrophobierung) zu passivieren (z. B. DD-Patentanmeldung WP B 41 J/2 75 029.5) vermögen den aufgezeigten Mangel jedoch nicht auf Dauer zu beseitigen, da durch Ablagerungen von Partikeln aus der Luft, vor allem aber von oberflächenaktiven Tintenbestandteilen, diese Schichten bereits nach relativ kurzer Anwendungszeit in ihrer Wirksamkeit beeinträchtigt werden.

Desweiteren sind auch eine Reihe von Tintenstrahldruckköpfen bekannt, bei denen den tropfenausstoßenden Düsen weitere tintengefüllte Bereiche in Richtung zum Aufzeichnungsträger vorgelagert sind. Entsprechend dem bekannten Stand der Technik lassen sich zwei prinzipielle Ausführungen derartiger Düsenvorräume unterscheiden:

Im ersten Fall wird der Düsenvorraum durch eine zweite Düsenplatte, deren Düsenbohrung axial fluchtend mit der der ersten Düsenplatte angeordnet ist, abgeschlossen. Aufgrund des nur geringen Abstandes der parallelen Düsenplatten hat dieser Raum einen hohen Kapillardruck und ist immer mit Tinte gefüllt, so daß der in der Bohrung der äußeren Düsenplatte befindliche Meniskus der Tinte von der Umwelt umgeben ist (DE-OS 21 64 614, DE-OS 24 39 445, DE-PS 25 36 369 und DE-AS 25 43 038).

Nachteilig bei dieser Lösung ist jedoch, daß der Raum zwischen den Düsenplatten ("äußere Kammer"), welcher der Tintenzuführung dient, wegen des geringen Förderungsquerschnittes zu hohen Trägheitskräften der Tinte führt. Die fluchtende Anordnung der Bohrungen und der Abstand der Düsenplatten sind für die Funktion des Druckkopfes von entscheidender Bedeutung jedoch aufgrund der geringen Größe technologisch nur schwer beherrschbar. Zudem kommt es nach längerer Betriebsdauer auch hier auf der Außenseite der äußeren Düsenplatte zu Benetzungen, die unsymmetrisch zur Düsenbohrung angelagert sind und somit die Tropfenausbildung, besonders hinsichtlich der Strahlrichtung, beeinflussen, wodurch die Schriftqualität merklich beeinträchtigt wird.

Im zweiten Fall ist der Düse ein nach außen offener Spalt mit hohem Kapillardruck vorgelagert, der ebenfalls ständig geflutet ist und auch die Verbindung des unmittelbar druckführenden Systems mit dem Tintenvorratsbehälter herstellt (DE-AS 21 61 315).

Diese Ausführung hat somit den Vorteil, daß sie die Probleme hinsichtlich der erforderlichen Genauigkeit bei der Montage weitgehend umgeht und eine Beeinträchtigung der Schriftqualität durch ungleichmäßige Benetzung des Düsenrandes bedingt durch den tintengefluteten Kapillarspalt ausschließt. Aufgrund der erforderlichen Abmessungen des Kapillarspaltes sind jedoch andererseits die Trägheitskräfte der Tinte sehr hoch, was zu einer unerwünschten Begrenzung der Tropfenfrequenz führt.

Zudem hat die Lösung den Nachteil, daß die Oberfläche der Tinte gegen die umgebende Luft verhältnismäßig groß ist und somit die mit der Eintrocknung der Tinte verbundenen Probleme (Verstopfungen, Verkrustungen) wesentlich zunehmen. Außerdem ist festzustellen, daß die Dicke des im Kapillarspalt vorhandenen und von den Tintentropfen zu durchdringenden Tintenfilms stark von der Tropfenfrequenz abhängt, wodurch sich schon bei geringen Frequenzen eine unerwünschte Abhängigkeit der Tropfengeschwindigkeit von der Tropfenfrequenz ergibt. Durch Verschmutzung kann darüber hinaus der Zufluß der Tinte durch den Kapillarspalt zum druckerzeugenden System unterbrochen bzw. so stark behindert werden, daß Luft angesaugt wird und das System ausfällt.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die wesentlichsten Nachteile der bekannten technischen Lösungen zu beseitigen und einen mit hoher Tropfenfrequenz und Zuverlässigkeit arbeitenden Tintenstrahldruckkopf vorzusehen, der weder eine gesondert behandelte Düsenplatte benötigt noch Änderungen hinsichtlich der Strahlrichtung oder Tropfengeschwindigkeit durch undefinierte Benetzungen am Düsenrand eintreten läßt sowie bei Verschmutzungen in Düsennähe nicht ausfällt bzw. im hohen Maße gegen Eintrocknung geschützt ist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen ein- oder mehrdüsig ausgebildeten Tintenstahldruckkopf einer im Ein- oder Mehrfarbendruck arbeitenden Tintenstrahldruckeinrichtung mit bedarfsorientiertem Tropfenausstoß zu entwickeln, der mit einem vor der tropfenausstoßenden Düse liegenden, jedoch nicht in die für die Tintenzuführung dienenden Kanalabschnitte einbezogenen Raum versehen ist, der im Ruhezustand frei von Tinte und für den Betriebszustand dynamisch flutbar ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Hauptpunktes des Anspruchs beschriebenen Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den ergänzenden Punkten des Erfindungsanspruchs.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen in vereinfachter schaubildlicher Darstellung:

Fig. 1 einen in Schnittdarstellung wiedergegebenen und auf die erfindungswesentlichsten Teile beschränkten Ausschnitt eines Tintenstrahldruckkopfes mit nichtgeflutetem Düsenvorraum

Fig. 2 den oberen Teil des in Fig. 1 ausschnittsweise gezeigten Tintenstrahldruckkopfes mit geflutetem Düsenvorraum

Fig. 3 eine Ausbildung des Düsenvorraumes in kreisrunder Form und mit einer Düse

Fig. 4 eine Ausbildung des Düsenvorraumes in Langlochform und mit einer Düse

Fig. 5 eine Ausbildung des Düsenvorraumes in Langlochform und mit mehreren Düsen

Fig. 6 einen in Schnittdarstellung gezeigten Ausschnitt eines Tintenstrahldruckkopfes mit geflutetem Düsenvorraum und angebundenem parallelen Strömungspfad

Fig. 7 mehrere anhand der auseinandergezogenen Einzelteile dargestellte und in Plattenbauweise gebildete Düsenvorräume mit jeweils einer Düse und angebundenem parallelen Strömungspfad.

Dem Ausführungsbeispiel der Erfindung liegt ein ein- oder mehrdüsig ausgebildeter Tintenstrahldruckkopf einer im Ein- oder Mehrfarbendruck arbeitenden Tintenstrahldruckeinrichtung mit bedarfsorientiertem Tropfenausstoß zugrunde. Der in der Fig. 1 lediglich ausschnittsweise dargestellte Tintenstrahldruckkopf besteht aus dem Tintenvorratsbehälter 1 mit der Schreibflüssigkeit 2, dem Tintenzulauf 3, der Dämpfungseinrichtung 4, der Druckkammer 5 mit dem zur Erzeugung kurzzeitiger Druckimpulse dienenden Energiewandlerelement 6 und der nach außen führenden Düsenbohrung 7 sowie dem Düsenvorraum 8. Ebenso sind aber auch solche Ausführungen von Tintenstrahldruckköpfen denkbar, bei denen zwischen Druckkammer 5 und Düsenbohrung 7 ein nicht dargestellter Verbindungskanal vorhanden, ein Plattenaufbau des Druckkopfes rechtwinklig zur Düsenebene oder eine massive Ausbildung der Druckkopfbereiche Druckkammer 5 und nicht dargestellter Verbindungskanal zur Düse 7 vorgesehen ist. Erfindungsgemäß weist der Düsenvorraum 8, bedingt durch seine Formgestaltung und charakterisiert durch den Durchmesser 8 a und die Höhe 8 b bei kreisrunder Form, in dessen Mittelpunkt die Düsenbohrung 7 angeordnet ist (Fig. 3), eine kapillare Steighöhe auf, die geringer als der Höhenunterschied zwischen dem maximalem Tintenstand im Tintenvorratsbehälter 1 und der Düsenbohrung 7 ist. Dadurch wird eine selbständige Flutung des Düsenvorraumes 8 ausgeschlossen und eine bestehende Flutung des Düsenvorraumes 8 durch Zurückfließen von Schreibflüssigkeit 2 beseitigt. Unter Zugrundelegung der entsprechenden Parameter üblicher Schreibflüssigkeiten 2 und guter Benetzungsfähigkeit der Oberflächen im Düsenvorraum 8 und bei Vorgabe des Höhenunterschiedes zwischen dem maximalen Tintenstand im Tintenvorratsbehälter 1 und der Düsenbohrung 7 von größer 10 mm, ist bei einem Düsenvorraum 8 in Form eines kreisrunden Loches ein Durchmesser 8 a von 0,8 mm bis 1 mm und eine Höhe 8 b des Düsenvorraumes 8 von ungefähr 0,1 mm sinnvoll.

Durch Erzeugung von geringen Flüssigkeitsbewegungen in der Düsenbohrung 7 mittels eines elektromechanischen Schwingungselementes, das mit Anregeimpulsen bestimmter Frequenz und Intensität belegt ist, die aber noch keine Tropfenerzeugung bewirken, tritt aus der Düsenbohrung 7 Schreibflüssigkeit 2 aus und bewirkt eine definierte Flutung des Düsenvorraumes 8 und damit die Ausbildung eines stabilen konkaven Flüssigkeitsmeniskus 9 im Düsenvorraum 8. Die Tropfenerzeugung kann danach synchron oder asynchron zur Frequenz der Anregeimpulse ausgelöst werden. Im dargestellten Beispiel der Fig. 2 wird zur Erzeugung der Flüssigkeitsbewegung und damit zur definierten Flutung des Düsenvorraumes 8 das am Tintenstrahldruckkopf zur Tropfenerzeugung dienende Energiewandlerelement 6 verwendet. Die zur Flutung des Düsenvorraumes 8 notwendigen Anregeimpulse weisen dabei eine wesentlich geringere Intensität auf als die zur Tropfenerzeugung notwendigen Impulse. Bedingt durch die geringe Höhe 8 b von ca. 0,1 mm des Düsenvorraumes 8 ist die Schichtdicke der Schreibflüssigkeit 2 direkt über der Düsenbohrung 7 sehr gering, so daß keine negativen Auswirkungen in Form von Energieverlusten bei der Tropfenerzeugung entstehen. Die Tropfenerzeugung erfolgt durch kurzzeitige Druckimpulse mit entsprechender Stärke auf die Schreibflüssigkeit 2 im Bereich der Druckkammer 5 durch das Energiewandlerelement 6. Nach jedem Tropfenausstoß aus der Düsenbohrung 7 und anschließender Saugphase zur Förderung von Schreibflüssigkeit 2 aus dem Tintenvorratsbehälter 1, erzeugt durch das Energiewandlerelement 6 und den konkav gespannten Flüssigkeitsmeniskus in der Düsenbohrung 7, bewirkt die Dämpfungseinrichtung 4 die Beruhigung der Flüssigkeitssäule zwischen Tintenvorratsbehälter 1 und Düsenbohrung 7 in kürzester Zeit. Dabei bleibt das Tintenvolumen im gefluteten Düsenvorraum 8 annähernd unberührt, so daß nach Beendigung der Saugphase sofort der Ausgangszustand im gefluteten Düsenvorraum 8 in Form des Flüssigkeitsmeniskus 9 wieder eintritt. Bei Abschaltung der Anregeimpulse zur Flutung bzw. Aufrechterhaltung der Flutung des Düsenvorraumes 8, reißt der Flüssigkeitsmeniskus 9 und die Schreibflüssigkeit 2 im Düsenvorraum 8 wird durch den Unterdruck zwischen Düsenbohrung 7 und Tintenvorratsbehälter 1 von der Düsenbohrung 7 abgesaugt. Eine Minimierung des Energiegehaltes der Anregeimpulse zur Herstellung und Aufrechterhaltung einer definierten Flutung des Düsenvorraumes 8 wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, indem die Frequenz der Anregeimpulse annähernd gleich der Resonanzfrequenz der Flüssigkeitssäule zwischen Druckkammer 5 bzw. Dämpfungseinrichtung 4 und der Düsenbohrung 7 ist.

In den Fig. 4 und 5 sind zwei weitere Beispiele für die Ausbildung des Düsenvorraumes 8 dargestellt, bei denen der Düsenvorraum 8 jeweils als Langloch ausgeführt ist und entweder eine Düsenbohrung 7 (Fig. 4) oder aber mehrere Düsenbohrungen 7 (Fig. 5) auf der Längsachse des Langloches angeordnet sind. Um dabei die vorstehend beschriebenen Eigenschaften zu erreichen, müssen das Verhältnis von Querschnittsfläche zu Umfang des Langloches 0,2 mm bis 0,3 mm und die Höhe 8 b des Düsenvorraumes 8 ungefähr 0,1 mm betragen.

Der in Fig. 6 dargestellte Tintenstrahldruckkopf weist einen mittels Anregeimpulsen definiert gefluteten Düsenvorraum 8 auf, der über parallel zur Außenseite der Düsenplatte 15 verlaufende Kanäle 10 an einen parallelen Strömungspfad 11, der die Verbindung mit dem Tintenzulauf 3 herstellt, angeschlossen ist. Erfindungsgemäß weisen die Mündungsstellen der Kanäle 10 in den Düsenvorraum 8 eine solche Kapillarität auf, daß bei einem nicht gefluteten Düsenvorraum 8 die Schreibflüssigkeit 2 an den Mündungsstellen der Kanäle 10 ansteht. Zweckmäßigerweise erfolgt die Realisierung der Düsenvorräume 8, der Kanäle 10 und des parallelen Strömungspfades 11, aufbauend auf die Düsenplatte 15, in Plattenbauweise. Gemäß der Darstellung nach Fig. 7 werden hierbei die Düsenvorräume 8 durch definierte Durchbrüche 12 a und 13 a in den Platten 12 und 13 sowie durch die Materialstärken der Platten 12 und 13 gebildet. Dabei fungieren die Durchbrüche 12 a gleichzeitig als Mündungsstellen der Kanäle 10 in den Düsenvorräumen 8 (12 a und 13 a). Durch die Platte 14 erfolgt die Anbindung der Kanäle 10 an den parallelen Strömungspfad 11, der durch die Platte 16 nach außen abgedeckt wird.

Weiterhin ist es auch möglich, die Durchbrüche 12 a und 13 a in den Platten 12 und 13 in nur einer Platte mit definierten Durchbrüchen und Vertiefungen (beispielsweise durch Tiefenätzung) und entsprechender Materialstärke zu realisieren.

Erfindungsgemäß ist der Düsenvorraum 8 nicht in die der Tintenversorgung dienenden Kanalabschnitte eingebunden, so daß die Schwingungsvorgänge nach einem Tropfenausstoß von diesem nicht beeinflußt werden und Verschmutzungen nicht zum Ansaugen von Luft führen können. Indem die Düsenvorräume 8 nur beim Betreiben durch Anregung der Schreibflüssigkeit 2 zu einer Schwingung mit einem dünnen Tintenfilm auf der Düsenplatte 15 geflutet werden, im Ruhezustand aber frei von Schreibflüssigkeit 2 bleiben, verringert sich zugleich auch die Gefahr des Eintrocknens erheblich. Zudem können Beeinträchtigungen hinsichtlich der Stabilität der Tropfengeschwindigkeit vermieden werden, da zwischen zwei Tropfenemmissionen mehrere solcher Anregeimpulse erfolgen, wodurch die Dicke des Tintenfilms bei jedem Ausstoß gleich ist. Es ist somit ein Wesensmerkmal der Erfindung, daß aufgrund der zweckmäßigen Gestaltung des Düsenvorraumes 8, der zur Verbesserung der Erzeugung und des Abbaus seiner Flutung zudem mit einem zum unmittelbar druckführenden System parallelen Strömungspfad 11 verbunden sein kann, die Richtungsstabilität des Tintenstrahls wesentlich erhöht werden kann, ohne daß dabei Nachteile hinsichtlich des Eintrocknungsverhaltens, der Stabilität der Tropfengeschwindigkeit, der Zuverlässigkeit oder der erreichbaren Tropfenfrequenz in Kauf genommen werden müssen.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen 1,6Tintenvorratsbehälter 2,6Schreibflüssigkeit 3,6Tintenzulauf 4,6Dämpfungseinrichtung 5,6Druckkammer 6,6Energiewandlerelement 7,6Düsenbohrung 8,6Düsenvorraum 8 a,6Durchmesser 8 b,6Höhe 9,6Flüssigkeitsmeniskus (im Düsenvorraum 8) 10,6Kanal 11,6paralleler Strömungspfad 12,6Platte 12 a,6Durchbruch 13,6Platte 13 a,6Durchbruch 14,6Platte 15,6Düsenplatte 16,6Platte

Claims

1. Tintenstrahldruckkopf mit dynamisch gefluteten Düsenvorräumen, die auf der Außenseite der Düsenplatte vor den Düsenbohrungen liegend ausgebildet sind, gekennzeichnet dadurch, daß die Düsenvorräume (8) eine kapillare Steighöhe besitzen, die geringer als der Höhenunterschied zwischen dem maximalen Tintenstand im Tintenvorratsbehälter (1) und den Düsenbohrungen (7) ist und die Düsenvorräume (8) durch Erzeugung von Flüssigkeitsbewegungen in der Düsenbohrung (7) definiert geflutet sind.

2. Tintenstrahldruckkopf nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß für jede Düsenbohrung (7) ein unabhängiger Düsenvorraum (8) besteht, der durch ein kreisrundes Loch oder ein Langloch in einer oder mehreren auf der Düsenplatte (15) angeordneten Platten (12; 13) gebildet wird, wobei die Düsenbohrung (7) in Lochmitte liegt.

3. Tintenstrahldruckkopf nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß für einen Düsenvorraum (8) mit kreisrundem Loch der Durchmesser (8 a) 0,8 mm bis 1 mm und für einen Düsenvorraum (8) in Form eines Langloches das Verhältnis von Querschnittsfläche zu Umfang des Langloches 0,2 mm bis 0,3 mm beträgt.

4. Tintenstrahldruckkopf nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch daß für mehrere in einer Reihe angeordnete Düsenbohrungen (7) ein gemeinsamer Düsenvorraum (8) in Form eines Langloches besteht, wobei das Verhältnis von Querschnittsfläche zu Umfang des Langloches 0,2 mm bis 0,3 mm beträgt.

5. Tintenstrahldruckkopf nach den Punkten 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Höhe (8 b) des Düsenvorraumes (8) bzw. die Gesamtdicke der Platten (12; 13), in denen die Düsenvorräume (8) ausgebildet sind, ungefähr 0,1 mm beträgt.

6. Tintenstrahldruckkopf nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß am Druckkopf ein oder mehrere elektromechanische Schwingungselemente für die Realisierung der Flüssigkeitsbewegungen in den Düsenbohrungen (7) und damit zur Erzeugung und Aufrechterhaltung der definierten Flutung der Düsenvorräume (8) ausgebildet sind, wobei die Frequenz der Anregeimpulse der Schwingungselemente synchron oder asynchron zur Tropfenerzeugung ist.

7. Tintenstrahldruckkopf nach Punkt 6, gekennzeichnet dadurch, daß die Frequenz der Anregeimpulse zur definierten Flutung eines Düsenvorraumes (8) annähernd gleich der Resonanzfrequenz der Flüssigkeitssäule zwischen Druckkammer (5) bzw. Dämpfungseinrichtung (4) und Düsenbohrung (7) ist.

8. Tintenstrahldruckkopf nach Punkt 6 oder 7, gekennzeichnet dadurch, daß den am Druckkopf zur Tropfenerzeugung dienenden Energiewandlerelementen (6) die die definierte Flutung der Düsenvorräume (8) erzeugenden elektrischen Anregeimpulse zugeführt werden.

9. Tintenstrahldruckkopf nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Düsenvorräume (8) über an den Rändern einmündende, parallel zur Düsenplatte (15) verlaufende, abgedeckte Kanäle (10) an einen die Verbindung mit dem Tintenzulauf (3) des Tintenvorratsbehälters (1) herstellenden parallelen Strömungspfad (11) angeschlossen sind, wobei die Schreibflüssigkeit (2) bei nicht geflutetem Düsenvorraum (8) an den Mündungsstellen der Kanäle (10) in den Düsenvorräumen (8) durch Kapillarität ansteht.

10. Tintenstrahldruckkopf nach Punkt 9, gekennzeichnet dadurch, daß die Düsenvorräume (8) durch Durchbrüche (12 a; 13 a) in der Düsenplatte (15) vorgelagerten Platten (12, 13) ausgebildet sind, wobei der Durchbruch (13 a) die äußere Form des Düsenvorraumes (8) aufweist und der Durchbruch (12 a) den mit dem parallelen Strömungspfad (11) in Verbindung stehenden Kapillarspalt erzeugt.