DE3787922T2 - Tintenstrahldrucker. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft allgemein das Tintenstrahldrucken mit Dauerstrahl und insbesondere Druckköpfe, die die Tinte in Tintenstrahldruckern vom Dauerstrahl-Typ durch Wärmeenergieimpulse anregen.
• Tintenstrahldrucksysteme werden üblicherweise in zwei Grundarten unterteilt, den Dauerstrahl und die Tropfen-auf-Anforderung. Beim Dauerstrahl-Tintenstrahldrucken wird Tinte als Dauerstrahl unter Druck durch eine oder mehrere Öffnungen oder Düsen ausgesandt. Der Strahl wird gestört, so daß er in Tröpfchen bei einem vorbestimmten, festen Abstand von den Düsen aufgebrochen wird. An dem Aufbrechpunkt werden die Tröpfchen gemäß unterschiedlicher Spannungswerte aufgeladen, die für digitalisierte Datensignale repräsentativ sind. Die aufgeladenen Tröpfchen werden durch ein festes, elektrostatisches Feld vorwärtsgetrieben, das die Bahn von jedem Tröpfchen einstellt oder ablenkt, um es zu einer besonderen Stelle auf einem Aufzeichnungsmedium, wie Papier, oder zu einer Rinne zum Sammeln und Zurückführen zu richten. Bei den Tropfen-auf-Anforderung-Tintenstrahldrucksystemen wird ein Tröpfchen von einer Düse unmittelbar auf das Aufzeichnungsmedium längs einer im wesentlichen geraden Bahn ausgestoßen, das heißt im wesentlichen senkrecht zu dem Aufzeichnungsmedium. Die Tröpfchenausstoßung ist in Antwort auf digitale Informationssignale, und ein Tröpfchen wird nicht ausgestoßen, bis es auf dem Aufzeichnungsmedium angeordnet werden soll. Ausgenommen von periodischem, gleichzeitigem Ausstoßen von Tröpfchen aus allen Düsen in einen Behälter, um die Tintenmeniski in den Düsen vor dem Trocknen zu bewahren, verlangen Tropfen-auf-Anforderung-Systeme eine Tintensammelrinne, um die Tinte zu sammeln und zurückzuführen, und keine Auflade- oder Ablenkelektroden, um die Tröpfchen zu besonderen Bildelementstellen auf dem Aufzeichnungsmedium zu führen. Somit sind Tropfen-auf-Anforderung-Systeme viel einfacher als die vom Dauerstrahl-Typ.
• GB-A-2,119,317 und DE-A-3 ,012,946 offenbaren Erfindungen speziell für Tropfen-Auf-Anforderung-Tintenstrahldrucker, wohingegen die vorliegende Erfindung auf Dauerstrahl-Tintenstrahldrucker beschränkt ist.
• Im allgemeinen wird die Tinte in einem Tintenstrahldrucker vom Dauerstrahl-Typ durch eine piezoelektrische Einrichtung gestört oder angeregt, die an dem Druckkopf so angebracht ist, daß gleichmäßige Druckänderungen auf die Tinte in der Tintenkopfverzweigung aufgebracht werden. Die piezoelektrische Einrichtung wird üblicherweise bei einer Frequenz in dem Bereich von 100 bis 125 kHz betrieben. Es ist auch bekannt, daß die Tintenstörungen durch elektrohydrodynamische Elektroden durchgeführt werden können, die an den Druckkopföffnungen angeordnet sind, und durch, wie es unten erörtert wird, gewisse Arten von Wärmeenergieimpulse. Wenn eine ununterbrochene, gleichmäßige Störung auf den Tintenstrom durch die kleinen Düsen ausgeübt wird, wächst die Störung entlang der Länge des Stromes. Die optimalen Betriebsbedingungen werden erhalten, wenn λ·D kleiner als sieben und größer als drei ist, wobei D der Düsendurchmesser und λ die Störungswellenlänge ist. Diese Störung ergibt ein Aufbrechen des Stromes, was einzelne Tröpfchen bei festgelegten Abständen von den Düsen erzeugt. Wie es oben erwähnt worden ist, ist das üblichste Verfahren, diese Störung zuzuführen, Druckwellen zu erzeugen, indem ein piezoelektrisches Material verwendet wird. Ein solches Material erzeugt eine ebene Welle, die über einen akustisch ausgelegten Tintenbehälter wandert, um eine Düsenplatte zu erreichen, die Öffnungen oder Düsen enthält, durch die Ströme der sich unter Druck befindenden Tinte fließen.
• Einige Schwierigkeiten, die mit den piezoelektrisch angeregten Tintenströmen oder Strahlen verbunden sind, bestehen darin, daß es schwierig ist, einen gleichförmigen Düsenantrieb in einer Gruppierung von Strahlen wegen der komplexen, akustischen Wechselwirkungen der Druckwelle mit dem akustischen Tintenstrahlhohlraum oder Behältern der Tröpfchenerzeugungseinrichtungen zu erreichen. Jedoch muß die Stromaufbrechungsstrecke gleichförmig sein, so daß alle Strahlen oder Ströme in den Tröpfchenaufladeelektroden aufbrechen müssen, die bei festgelegten Abständen von den Düsen sind. Auch kann die Herstellung von Tröpfchenerzeugungseinrichtungen wegen der Kosten der hochgenauen Bearbeitung der akustisch ausgelegten Behälter und sehr teuren Werkstoffe kostspielig sein. Solche Tröpfchenerzeugungseinrichtungen neigen dazu, schwer und massig zu sein. Ferner sind die große Fluid- oder Tintenträgheit und die Möglichkeit eines Luftblaseneinfangs in dem Schallbehälter ein mühsames Problem, mit dem sich bei solchen Dauerstrahldruckern während des Einschaltens und Ausschaltens der Tintenströme auseinandergesetzt werden muß. Verschiedene Methoden zur Lösung dieser Schwierigkeiten sind bekannt, aber keine hat sie vollständig gelöst.
• US-A-3,731,876 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen nebelähnlicher Fluidzerstäubungen. Das zu zerstäubende Fluid wird auf eine Temperatur erwärmt, bei der der Dampfdruck des Fluids den Druck in dem Raum übersteigt, in den es gesprüht werden soll, aber kleiner als der Öffnungsdruck der Düse ist. Wenn das Fluid die Düsenöffnung verläßt, kocht es sofort, wobei es die wirkungsvolle Viskosität und Oberflächenspannung des Fluids in der Zerstäubungsöffnung und hinter ihr sehr klein macht, wodurch das Fluid in äußerst kleine Tröpfchen aufbricht.
• US-A-3,878,519 offenbart die wahlweise Anwendung von Wärmeenergie auf den von einer Düse unter Druck ausgesandten Tintenstrom, um die Oberflächenspannung aufeinanderfolgender Abschnitte des Tintenstromes zu verringern, bevor der Tintenstrom in zufälliger Weise in Tröpfchen aufbricht. Die Menge der angewandten Energie und die Dauer der angewandten Energie steuern den Aufbrechpunkt des Stromes bei vorbestimmten Abständen von der Düse. Die Wärmequelle kann Licht hoher Intensität, das durch den Tintenstrom in Wärmeenergie umgewandelt wird, oder eine ringförmige oder teilringförmige Widerstandsheizeinrichtung sein, die in der Düse und an der Außenoberfläche der Düsenöffnung angeordnet ist. Die intensive Lichtenergie wird auf den Tintenstrom stromabwärts von der Düse fokussiert.
• US-A-4,128,345 offenbart einen Matrixdrucker, der wahlweise Fluidimpulse auf ein Aufzeichnungsmedium aufbringt. Der Drucker umfaßt einen Blattvorschub, einen Druckkopf, einen Tintenvorrat, eine Ventileinrichtung und ein Dateneingabesystem. Der Druckkopf schließt eine Gruppierung von Röhren ein, die mit dem Tintenvorrat und der Ventileinrichtung verbunden sind. Die Ventileinrichtung schließt ein getrenntes Ventil für jede Röhre ein, um die Tintenzufuhr zu ihr zu steuern. Bei einer Ausführungsform erhöht eine Heizeinrichtung die Temperatur der Tinte, die durch die Röhren hindurchgeht, ausreichend, um ein Drucken zu bewirken, wenn immer Tinte aus den Röhren ausgestoßen wird. Bei einer anderen Ausführungsform ist ein bewegbarer Stift an dem fernen Ende von jeder Röhre, das dem Aufzeichnungsmedium gegenüberliegt, angebracht, so daß er in das Aufzeichnungsmedium getrieben wird, wenn ein Ventil geöffnet wird. Bei einer weiteren Ausführungsform werden die bewegbaren Stifte ausreichend erwärmt, um ein Drucken durchzuführen, wenn die Stifte in Berührung mit dem Aufzeichnungsmedium bewegt werden. Das Dateneingabesystem öffnet und schließt die Ventile in Übereinstimmung mit Eingangssignalen derart, daß die Impulse der zu den Röhren gebrachten Tinte Tintenmarkierungen auf dem Aufzeichnungsmedium erzeugen.
• GB-B-2,060,499 offenbart einen Tintenstrahldruckkopf mit der typischen Wärme-Tintenstrahlausgestaltung, die von der Tropfen-auf-Anforderung-Ausstoßung von Tintentröpfchen durch die Erzeugung unmittelbarer Blasenerzeugung und Blasenzusammenbrechens abgewandelt ist, indem die Tinte unter Druck gebracht wird, um das ununterbrochene Ausspritzen von Tintenströmen aus jeder Düse hervorzurufen. Die Tintenströme werden gestört, indem die Widerstände in den Tintenkanälen nahe den Düsen fortlaufend durch Stromimpulse bei vorbestimmten Frequenzen angesprochen werden, um ununterbrochene, starke Änderungen des Tintenzustandes zu bewirken. Das heißt, Blasen werden kontinuierlich bei einer ausreichenden Frequenz erzeugt und können zusammenbrechen, um die Tinte in jedem Kanal anzuregen und zu bewirken, daß die von ihnen ausgesandten Tintenströme bei vorbestimmten Abständen von den Düsen in Tröpfchen aufbrechen, wo Spannungen auf die Tröpfchen angewendet werden, wenn sie gebildet werden.
• Unglücklicherweise bewirkt eine solche bei der Dauerstrahl- Betriebsart verwendete Ausgestaltung eine dramatische Verkürzung der Heizeinrichtungslebenszeiten, verbraucht eine größere Energiemenge, wenn die Blasenerzeugung gefordert wird, die Tintenströme zu stören, und bewirkt ein starkes Übersprechen zwischen Tintenkanälen. Mit "Übersprechen" ist gemeint, daß die Anregung der Widerstände in einer Düse eine unerwünschte Wirkung auf den Tröpfchenstrom ausübt, der von benachbarten Düsen ausgebracht wird.
• GB-B-2,072,099 offenbart einen Tintenstrahldruckkopf und ein Herstellungsverfahren, wobei Nuten, die die Tintenstromwege oder Kanäle bilden, in einer Schicht einer lichtempfindlichen Verbindung gebildet sind, die auf der Oberfläche eines Substrates angeordnet ist, auf dem sich die Heizelemente befinden. Die Kanäle sind so gebildet, daß die Heizelemente innerhalb der Kanäle sind.
• US-A-4,220,958 offenbart einen Dauerstrahl-Tintenstrahldrucker, bei dem die Störung durch eine elektrohydrodynamische Anregung durchgeführt wird. Die elektrohydrodynamische Anregungseinrichtung ist aus einer oder mehreren Pumpelektroden mit einer Länge gleich dem ungefähren halben Tröpfchenabstand aufgebaut. Die mehrfachen Pumpelektrodenausführungsformen sind in Intervallen von Vielfachen von ungefähr einem halben Tröpfchenabstand oder Tröpfchenwellenlänge stromabwärts der Düsen voneinander beabstandet.
• Unsere EP-A-197723, die eine unter den Artikel 54(3) EPÜ fallende Druckschrift ist, beschreibt einen Tröpfchen-auf- Anforderung-Tintenstrahldruckkopf, der aus Siliziumwafern hergestellt ist und aus zwei zueinander ausgerichteten und miteinander verbundenen Teilen besteht, wobei ein Teil geätzte Ausnehmungen enthält und der andere Teil Heizelektroden trägt.
• Es ist eine Zielsetzung dieser Erfindung, einen zur Verwendung beim Dauerstrahl-Tintenstrahldrucken geeigneten Druckkopf zu schaffen, der die Tinte durch das Anwenden von innerhalb des Druckkopfes angewandten Wärmeimpulsen stört, die nicht bewirken, daß die Tinte Phasen oder Zustände ändert.
• Es ist eine andere Zielsetzung dieser Erfindung, einen Druckkopf für einen Dauerstrahl-Tintenstrahldrucker zu schaffen, der kostengünstiger hergestellt werden kann, indem die gleichzeitige Herstellung großer Mengen von Druckköpfen oder modularen Bestandteilen davon aus zwei Substraten ermöglicht, die vorzugsweise Siliziumwafer sind.
• Bei der vorliegenden Erfindung ist ein zur Verwendung bei einem Tintenstrahldrucker vom Dauerstrahltyp geeigneter Druckkopf aus zwei Substraten zusammengesetzt, die zusammenpassen und dauerhaft miteinander verbunden sind. Die Substrate sind vorzugsweise aus Silizium und besitzen parallele Oberflächen und wenigstens eine Kante senkrecht zu den parallelen Oberflächen. Die Oberfläche eines Substrates enthält wenigstens ein Heizelement zusammen mit einer Adressierelektrode pro Heizelement und wenigstens eine Rückführelektrode. Das andere Substrat enthält in seiner einen Oberfläche eine geätzte Ausnehmung und parallele Nuten. Ein Ende jeder Nut mündet in die Ausnehmung und das andere Ende durchdringt die Substratkante. Die zwei Substrate sind so zueinander passend, daß die Ausnehmung eine Tintenverzweigung wird und die Nuten Tintenkanäle werden. Die Nutenöffnungen in der Substratkante dienen als Öffnungen oder Düsen.
• Alternativ kann ein lichtempfindlicher Film auf dem Substrat angeordnet werden, der das Heizelement oder Heizelemente enthält und ein Muster aufweist, die Tintenkanäle zu bilden, wobei jeder von ihnen in einer Öffnung an der Substratkante endet. Das andere Substrat enthält den Behälter zum Zuführen von Tinte zu den Kanälen. Bei dieser andersartigen Ausführungsform ist der die Kanäle enthaltende, lichtempfindliche Film zwischen den zwei Substraten zwischengelegt.
• Einrichtungen sind vorgesehen, um den Behälter oder die Verzweigung und somit die Kanäle mit Tinte zu füllen. Während des Druckbetriebes wird die Tinte unter Druck versetzt, wodurch Tintenströme hervorgerufen werden, aus den Öffnungen herauszufließen. Eine Schaltkreisanordnung legt gleichmäßige Stromimpulse an die Adressierelektrode und somit an das Heizelement an, wodurch bewirkt wird, daß Wärmeenergieimpulse auf die Tinte übertragen werden, wobei gleichmäßige, periodische Änderungen der Dichte, der Viskosität und der Oberflächenspannung in der Tinte erzeugt werden, die das Heizelement berührt, und die die Tinte stören oder anregen. Die Wärmeausdehnung der Tinte (das heißt die Dichteänderung) ist ausreichend, einen positiven Druckimpuls zu erzeugen, der ein stabiles Aufbrechen eines ununterbrochenen Tintenstromes bewirkt. Es ist auch bekannt, daß ein Wärmeimpuls die Viskosität der Tinte nahe dem Widerstandselement oder Heizelement verringert, wodurch somit die Fluidgrenzschicht gestört wird. Aus dem oben erwähnten Stand der Technik ist es auch bekannt, daß Wärmeimpulse die Oberflächenspannung der Tintenströme ändern können. Jeder dieser Mechanismen ist ausreichend, Tröpfchen stabil zu erzeugen. Diese thermische Anregung der Tinte bewirkt somit, daß die Tintenströme in Tröpfchen bei einem vorbestimmten Abstand von den Öffnungen aufgebrochen werden, wo Aufladeelektroden Ladungen auf den Tröpfchen induzieren, wie sie in Übereinstimmung mit Digital- oder Videosignalen gebildet werden. Die aufgeladenen Tröpfchen werden abgelenkt, um ausgewählten Bahnen zu folgen, wenn sie durch ein stationäres, elektrostatisches Feld zu spezifischen Bildelementstellen auf einem sich bewegenden Aufzeichnungsmedium oder einer Rinne zur Rückführung laufen. Die Stromimpulse sind ausreichend niedrig, eine Tintenverdampfung zu verhindern. Bei einer Ausführungsform ist ein einzelnes Heizelement in der Druckkopfverzweigung angeordnet, und bei einer anderen Ausführungsform sind die Heizelemente jeder der Öffnungen aber stromaufwärts von ihnen benachbart angeordnet. Jedes Heizelement besitzt seine eigenen Adressier- und Rückführelektroden, die beide außerhalb der Verzweigung und Kanäle sind, und die Kanäle besitzen dieselbe Innenweite und Länge wie die Heizelemente.
• Ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung kann durch die Betrachtung der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen erhalten werden, in denen:
• Fig. 1 eine schematische, isometrische Teilansicht des Druckkopfes der vorliegenden Erfindung ist;
• Fig. 2 eine Teilansicht des Druckkopfes ist, wenn er längs der Linie A-A der Fig. 1 betrachtet wird;
• Fig. 3 ähnlich der Fig. 2 ist, aber eine andersartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
• Fig. 4 die alternative Ausführungsform der Fig. 3 ist, wenn man längs der Linie B-B der Fig. 1 betrachtet;
• Fig. 5 eine schematische, isometrische Ansicht einer anderen Ausführungsform des Druckkopfes der vorliegenden Erfindung ist, wobei das Überdeckungssubstrat angehoben und teilweise entfernt ist;
• Fig. 6 eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, die schematisch in isometrischer Ansicht gezeigt ist, wobei die Kanalplatte und die Heizplatte der Klarheit halber getrennt sind, und
• Fig. 7 eine andersartige Ausführungsform der Fig. 6 ist, die eine Einrichtung zum Erhöhen des Oberflächenbereiches des Heizelementes zeigt.
• In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung des Druckkopf es 10 der vorliegenden Erfindung teilweise in isometrischer Ansicht mit Strömen 11 von sich unter Druck befindender Tinte gezeigt, die aus den Öffnungen oder Düsen 27 ausgesandt werden. Die Tintenströme sind als unterbrochene Linien dargestellt. Der Druckkopf umfaßt eine Kanalplatte oder ein Substrat 31, das dauerhaft mit der Heizplatte oder dem Substrat 28 verbunden ist. Der Werkstoff beider Substrate ist bei der bevorzugten Ausführungsform wegen seiner geringen Kosten und seiner Fähigkeit der Massenherstellung Silizium. Die Kanalplatte 31 enthält eine in unterbrochener Linienführung dargestellte, geätzte Ausnehmung 20 in einer Oberfläche, die wenn sie auf die Heizplatte 28 aufgepaßt ist, einen Tintenbehälter oder eine Verzweigung bildet. Eine Mehrzahl identischer, paralleler Nuten 22, die mit unterbrochenen Linien gezeigt sind und dreieckförmige querverlaufende Querschnitte haben, sind in dieselbe Oberfläche der Kanalplatte geätzt, wobei eines ihrer Enden die Seite 29 der Kanalplatte durchdringt. Die anderen Enden der Nuten öffnen in die Ausnehmung oder die Verzweigung 20. Wenn die Kanalplatte und die Heizplatte zusammengepaßt sind, bilden die Rillendurchdringungen durch die Seite 29 die Öffnungen 27, und die Nuten 22 dienen als Tintenkanäle, die die Verzweigung mit den Öffnungen verbinden. Die Öffnung 25 in der Kanalplatte stellt eine Einrichtung zum Aufrechterhalten einer sich unter Druck befindenden Tintenversorgung in der Verzweigung von einer Tintenvorratsquelle (nicht gezeigt) dar.
• Da die vorliegende Erfindung nur den Druckkopf betrifft, sind die Einzelheiten des restlichen Tintenstrahldruckers vom Dauerstrahl-Typ hier nicht erörtert. Bezüglich einer Beschreibung davon wird auf US-A-4,395,716 und auf US-A- 4,255,754 Bezug genommen.
• Fig. 2 ist eine vergrößerte Querschnittsdarstellung eines Teiles des Druckkopfes, wenn man längs der Linie A-A der Fig. 1 betrachtet. Diese Ansicht ist im wesentlichen eine Draufsicht auf einen Teil der Heizplatte 28, die die Heizplattenoberfläche 30 mit den Heizelementen oder Widerständen 18, den einzelnen Adressierelektroden 17 und einer gemeinsamen Rückführelektrode 19 zeigt. Als erstes werden die Widerstände als Muster auf die Oberfläche 30 der Heizplatte 28 aufgebracht, einer für jeden Tintenkanal, und dann werden darauf die Elektroden 17 und die gemeinsame Rückführelektrode 90 aufgebracht. Die Adressierelektroden und die Rückführelektrode sind mit Anschlüssen 32 nahe den Rändern der Heizplatte verbunden, mit Ausnahme des Randes 26, der mit der Kanalplattenkante 29 koplanar ist, die die Öffnungen 27 (siehe Fig. 1) enthält. Alle Adressierelektrodenanschlüsse erhalten gemeinsam Stromimpulse mit einer vorbestimmten Frequenz, um kontinuierliche Wärmeimpulse zu erzeugen, die auf die durch die Kanäle oberhalb der Elektroden und Heizelemente oder Heizeinrichtungen hindurchfließende Tinte übertragen werden. Es wird zu der Fig. 2 zurückgekehrt; die an Masse liegende gemeinsame Rückführung 19 beabstandet notwenigerweise die Heizelemente 18 von dem Heizplattenrand 26 und somit den Öffnungen 27. Die Adressierelektroden und die Heizelemente sind beide innerhalb der Tintenkanäle, wobei sie eine bläschenfreie Passivierung verlangen, wo immer die Tinte sie berühren kann. Die Tintenversorgung befindet sich unter Druck, und die Tinte wird niemals durch den an die Heizelemente angelegten Stromimpuls verdampft. Die Wärme- Tintenstrahldrucker sind vom Tropfen-auf-Anforderung-Typ und Dampfblasen werden erzeugt, wenn immer ein Tintentröpfchen ausgestoßen werden soll. Beim Tintenstrahl vom Dauerstrahl- Typ fließt natürlich die Tinte stets während des Druckvorganges durch die Öffnungen in Strömen und die Tinte wird gestört, um in Tröpfchen bei einem besonderen Abstand von den Düsen aufzubrechen, wo die festen Aufladeelektroden angeordnet sind.
• Fig. 3 ist die gleiche Ansicht des Druckkopfes wie Fig. 2 mit der Ausnahme, daß sie eine andersartige Ausführungsform zeigt. Bei dieser andersartigen Ausführungsform sind die Heizelemente 18 näher an dem Heizplattenrand 26 angeordnet, und jedes Heizelement oder Widerstand 18 besitzt eine individuelle, an Masse liegende Rückführelektrode 21 sowie eine individuelle Adressierelektrode 17. Die in unterbrochener Linienführung gezeigten Tintenkanäle 22 sind so beabstandet, daß nur das Heizelement der sich unter Druck befindenden Tinte ausgesetzt wird, die durch die Öffnung 27 fließt. Die Elektrodenpassivierung kann fortgelassen werden, da die Kanalplatte 21 und ihre Anhaftungsverbindung mit der Heizplatte 28 verhindern, daß Tinte die Elektroden 17 und 21 berühren kann. Wenn die Elektroden wahlweise passiviert worden sind, ist die Ganzheit der Passivierungsschicht viel weniger von Bedeutung, weil die Tinte sie nicht berührt und einige wenige kleinste Löcher die Betriebslebensdauer des Druckkopfes nicht verkürzt. Die Strafe für diesen Vorteil, das Heizelement näher zu den Öffnungen zu bewegen und die Elektroden außerhalb der Tintenstromwege anzuordnen, ist, das der geometrische Abstand geopfert werden muß. Das heißt, die Kanäle 22 müssen weiter voneinander sein. Dies wäre bei einem Wärme-Tintenstrahldrucker schädlich, aber nicht bei einem Dauerstrahl-Tintenstrahldrucker, da jeder Strom zum Drucken eines Abschnittes einer Linie verantwortlich ist, die viele Bildelemente enthält, statt nur gerade für ein Bildelement von jeder Öffnung, wie es bei Wärme-Tintenstrahldruckern verlangt wird.
• Fig. 4 ist eine Querschnittsdarstellung der Ausführungsform in Fig. 3 und ist die durch die Linie B-B der Fig. 1 angegebene Ansicht. In dieser Fig. 4 enthält die Heizplatte 28 auf ihrer Oberfläche 30 eine Mehrzahl von Heizelementen 18, Adressierelektroden 17 und Rückführelektroden 28 (nicht gezeigt). Der Anschluß 32 der Adressierelektrode ist nahe einer der Seiten der Heizplatte mit Ausnahme der Seite 26, die zu der Seite 29 der Kanalplatte 31 koplanar ist. Die Öffnung 25 ermöglicht eine Einrichtung zum Aufrechterhalten der Verzweigung 20 voll von sich unter Druck befindender Tinte (nicht gezeigt). Der Kanal 22 besitzt ungefähr die gleiche Länge und Weite wie das Heizelement oder der Widerstand 18, und seine Länge (das heißt die Richtung parallel zu der Tintenströmung) kann sogar kürzer als die des Heizelementes sein. Die Kanallänge ist allgemein im Bereich von 12,5 bis 250 um. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, daß die Schwierigkeit eines übergroßen Druckabfalles über die Kanäle verhindert wird, weil sie sehr kurz sind. Auch werden die kurzen Kanäle weniger leicht durch Tintenansammlungen oder Verunreinigungen verstopft. Die Abstände des Widerstandes zu der Öffnung können optimal stromaufwärts von aber nahe den Öffnungen angeordnet werden, da die gemeinsame Elektrode, die bei herkömmlichen Wärme-Tintenstrahldruckern verwendet wird, nicht verlangt wird. Bei der Ausführungsform der Fig. 2 neigen die Aluminiumelektroden an der Berührungsstelle mit dem Heizelement dazu, das Strömungsmuster der Tinte zu unterbrechen, weil das Heizelement wirkungsvoll relativ zu den Aluminiumadressierelektroden und Rückführelektroden vertieft ist. Dies ist, weil die Elektroden die Ränder des Widerstandes überlappen. Die etwas vertiefte Heizeinrichtung bewirkt im Gegensatz zu dem Tropfen-auf-Anforderung-Betrieb des Wärme-Tintenstrahles eine beträchtliche Unwirksamkeit bei dem Tintenstrahldrucker vom Dauerstrahltyp. Ein anderes zu überwindendes Problem ist die Länge des Widerstandes. Da die Wellenlänge λ des gestörten Tintenstromes gleich oder größer als die Länge des Widerstandes sein muß, erzwingt dies ein großes λ, dividiert durch den effektiven Kanal- oder Öffnungsdurchmesser, wenn der Stromdurchmesser klein sein soll. Die Länge des erwärmten Volumens des Tintenstromes ist länger als die Heizeinrichtungslänge, da sich das Fluid während des Wärmeimpulses bewegt. Wenn die Stromgeschwindigkeit zehn Meter pro Sekunde beträgt, die Heizeinrichtungslänge 100 um ist und der Wärmeimpuls fünf Mikrosekunden ist, wird die erwärmte Bereichslänge um 50 um erhöht, so daß der gesamte erwärmte Bereich ungefähr 150 um lang ist. Für typische Dauerstrahlanwendungen sollte der Widerstand so weit wie der Kanal sein, um das erwärmte Volumen zu maximieren, aber so kurz wie möglich in Richtung der Kanallänge, um den Wärmeimpuls so kurz wie möglich zu machen. Dies würde kürzere Wellenlängen erlauben, somit kleinere λ Düsendurchmesserverhältnisse, selbst wenn der Durchmesser klein ist.
• Die Vorteile der in Fig. 4 gezeigten Ausgestaltung sind, daß die Heizeinrichtung einige wenige um stromaufwärts von der Kanalöffnung angeordnet werden kann, die Kanäle sehr kurz sein können, die Aluminiumkontakte nicht in dem Kanal sind, die Heizelemente nicht wirkungsvoll vertieft sind und die Heizeinrichtung eine maximierte Weite und eine minimierte Länge besitzt.
• Fig. 5 ist eine andersartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in isometrischer Ansicht mit angehobener oberer Platte oder Dach 47 gezeigt ist, um besser die erfindungsgemäßen Merkmale dieser Ausführungsform zu zeigen. Die Heizplatte oder das Substrat 40 weist auf sich das Muster eines einzelnen Widerstandes 44 zum Wärmepulsen der Tinte in der Verzweigung 49 auf. Die Adressierungselektrode 45 und die Rückführelektrode 43 besitzen Anschlüsse 46 nahe dem Ende der Heizplatte, den Tintenkanälen gegenüberliegend. Die Kanalplatte ist als eine Zwischenschicht dargestellt, die entweder geätztes Silizium oder ein mit einem Muster versehenes fotoempfindliches Material sein kann. Zur einfachen Konstruktion werden zumindest Paare aus Heizplatte 40 und Kanalplatte 41 (ein Teil davon ist in unterbrochener Linienführung gezeigt) miteinander verbunden und längs Ebenen 48 zerschnitten, um die Druckköpfe zu trennen und gleichzeitig die Kanäle zu öffnen und die Öffnungen zu bilden. Die obere Platte oder das Dach 47 wird dann über der Kanalplatte verbunden, um die Verteilung 49 herzustellen, die den Widerstand 44 aufnimmt. Die Tintenkanäle werden durch Öffnungen 42 in der Kanalplatte gebildet, die zwischen dem Dach und der Heizplatte zwischengelegt ist. Der hinzukommende Vorteil bei der Ausführungsform in Fig. 5 gegenüber den anderen Ausführungsformen ist die Einfachheit des Entwurfes, nämlich ein Widerstand pro Kanalgruppierung und die Freiheit von den Beschränkungen bei der Herstellung von Druckköpfen mit einzelnen Wärmewandlern für jeden Kanal. Beispielsweise müssen bei der Herstellung von Druckkopfausführungsformen in den Fig. 1-4 einzelne Heizelemente genau zu jedem Tintenkanal ausgerichtet werden. Bei der Ausgestaltung der Fig. 5 ist die Ausrichtung eines einzelnen, großen Widerstandes zu den Tintenkanälen oder der Verzweigung nicht sehr kritisch. Die Länge der Kanäle 42 ist sehr kurz, wie im Bereich von 12,5 bis 250 um.
• Bei Dauerstrom-Tintenstrahldrucksystemen, bei denen nur neutral geladene Tröpfchen gedruckt und alle geladenen Tröpfchen gesammelt werden, ist der Druckkopf im allgemeinen festgelegt und das Aufzeichnungsmedium wird mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegt. Bei einigen Ausgestaltungen befindet sich der Druckkopf oberhalb und senkrecht zu dem sich bewegenden Aufzeichnungsmedium, so daß die Schwerkraft die Tröpfchen unterstützt, gedruckt zu werden. Dauerstrahl- Tintenstrahldrucksysteme, die nur neutral geladenen Tintentröpfchen drucken, verlangen eine Düse für jedes Bildelement in der Zeile von Bildelementen, die die Druckzeilen auf dem Aufzeichnungsmedium bilden. Deshalb ist wie bei dem typischen Tropfen-auf-Anforderung Wärme-Tintenstrahldrucker die Druckauflösung oder die Anzahl von Flecken oder Bildelementen pro gedrucktem Zoll unmittelbar dem Düsenabstand proportional. Die kostengünstige Art, ein solches Dauerstrahl-Tintenstrahldrucksystem mit Hochauflösungsdruckfähigkeit zu schaffen, liegt in der Verwendung der in den Fig. 1 bis 5 gezeigten Ausführungsformen. Keine andere Ausgestaltung oder Herstellungstechnik kann einen Druckkopf schaffen, der bei so geringen Kosten eine so hohe Düsendichte aufweist. Die Düsendichten oder Abstände werden ohne weiteres im Bereich von 12 bis 24 Düsen pro Millimeter erreicht, wobei noch höhere Düsendichten möglich sind.
• Fig. 6 ist eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Kanalplatte 54 von der Heizplatte 50 zur besseren Darstellung dieser Teile getrennt gezeigt ist. Eine Mehrzahl von Düsen 55 ist durch das Öffnen durch Ätzvertiefungen in einem (100) Siliziumwafer vorgesehen. Indem ein auf dem Waver angeordnetes, photoempfindliches Material gemustert wird und anisotrop einzelne Verzweigungen 58 geätzt werden, werden die Verzweigungen durch die Kanalplatte hindurchgeätzt und enden in rechteckförmigen oder quadratischen Öffnungen oder Düsen 55 in der Oberfläche 59 der Düsenplatte 54. Die Nuten 56 könnten geschnitten (nicht gezeigt) oder gleichzeitig mit den Verzweigungen 58 anisotrop geätzt werden, woraufhin ein isotropes Ätzen folgt, um jeden Kanal 56 zu seiner entsprechenden Verzweigung 58 zu öffnen. Das Ätzen könnte in einer Weise so durchgeführt werden, daß die Öffnungen in der Oberfläche 59 mit einer Größe von ungefähr 25 um im Quadrat gelassen werden, oder eine Düsenplatte (nicht gezeigt) könnte später mit ihr verbunden werden, die die geeignete Düsenabmessung aufweist. Die Heizplatte 50 besitzt Heizeinrichtungen 52 mit Adressierelektroden 51 und einer gemeinsamen Rückführelektrode 53. Die Adressierelektroden besitzen Anschlüsse 60, die sich auf einer Seite der Heizplatte gut unterhalb der Düsenplatte zur leichteren späteren elektrischen Verbindung befinden. Die Düsenplatte 54 und die Heizplatte 50 werden dann zueinander ausgerichtet und miteinander verbunden, wobei sich eine Heizeinrichtung 52 unmittelbar unter jeder Düse 55 befindet, was allgemein vom Durchschnittsfachmann als eine "Dachreiter"-Konfiguration bezeichnet wird. Eine Tintendruckzufuhr (nicht gezeigt) wird in irgendeiner Weise zu den Öffnungen 62 vorgesehen, wie durch einzelne Röhren (nicht gezeigt) oder durch Verbindung mit einer gemeinsamen Verzweigung (nicht gezeigt). Die sich unter Druck befindende Tinte fließt durch die Düsen 55 in einer zu den Heizelementen 52 senkrechten Richtung, wie es durch die unterbrochenen Linien 11 gezeigt ist.
• Fig. 7 zeigt eine noch weitere Ausgestaltung der Heizeinrichtung oder des Heizelementes 75. Bei dieser Ausführungsform wird das Heizelement 75 über kleine Nuten 73 in der Heizplatte 77 gebildet, was einen erhöhten Oberflächenbereich für das Heizelement schafft, wodurch eine noch weitere Leistungsverringerung ermöglicht wird, um die Tinte wärmemäßig in den einzelnen Verzweigungen 58 zu pulsen.
• Um die Wirkung der Viskositätsmodulation hervorzuheben, könnte die Tinte einen beträchtlichen Anteil eines Bestandteiles mit einer starken temperaturempfindlichen Viskosität enthalten. Solche chemischen Stoffe sind allgemein bekannt. Beispielsweise ändert sich die Viskosität von Äthylenglykol und seinen Polymeren um einen Faktor 2 bei einer Temperaturänderung von rund 320 c. Tatsächlich ist es notwendig, die Tintentemperatur zu regeln, um die Tintenstromgeschwindigkeit bei herkömmlichen Dauerstrahl-Tintenstrahldruckern zu stabilisieren. Der Fall von Äthylenglykol ist typisch für ein Fluid mit einer starken Wasserstoffbindung. Ein schwierigerer Fall wäre der mit einem Arbeitsfluid oder einer Tinte, die einen strukturellen Übergang nahe der Raumtemperatur besitzt.
• Natürlich könnte eine aktuelle Blasenerzeugung eine Hauptstörung des Tintenstrahlstromes sein und sollte ohne weiteres eine stabile Tropferzeugung erzeugen, wie es in GB-B- 2,060,499 geoffenbart ist. Jedoch wird bei dem heutigen Stand der Technik die Lebensdauer der Heizeinrichtungen nachteilig durch Kavitationsbeschädigungen beeinträchtigt, die von dem Zusammenbrechen der Blasen herrühren. Obgleich die Lebensdauer für Tropfen-auf-Anforderung-Anwendungen angemessen ist, ist sie für Dauerstrahlanwendungen hoher Frequenz nicht angemessen. Wenn Fortschritte bei der Konstruktion oder den Werkstoffen für die Heizeinrichtung verwirklicht werden, kann ein Betreiben mit Blasen eher möglich sein.
• Die Vorteile einer Wärmestörung ohne Verdampfung der Tinte bei Tintenstrahldruckern vom Dauerstrahltyp sind:
• 1. Die Betriebsfrequenz kann höher als bei einem Tropfenauf-Anforderung-Blasenstrahl sein, bei dem die Hauptbegrenzung die Zeit ist, die zum Wiederauffüllen mit Tinte erforderlich ist. Auch wird die Kühlung der Heizeinrichtung nach jedem Impuls durch die sich bewegende Tinte erleichtert.
• 2. Die Herstellung der gesamten Struktur kann durchgeführt werden, indem eine Siliziumwafersatz-Verarbeitung verwendet wird. Dies ermöglicht eine Herstellung mit hoher Genauigkeit bei niederen Kosten.
• 3. Eine gleichförmige Strahlaufbrechlänge ist wegen der guten Gleichförmigkeit der Heizwiderstände und der Tatsache erreichbar, daß die Tintenströme wärmemäßig getrieben werden, statt daß sie durch eine gemeinsame Welle getrieben werden, die mit einem akustischen Behälter wechselwirkt. Zusätzlich kann, wenn Ungleichförmigkeiten in der Gruppierung wegen eines Übersprechens aufgefunden werden, jeder einzelne Widerstand in der Gruppierung bearbeitet werden, um den geeigneten Antrieb für ein gleichförmiges Aufbrechen zu geben, oder die zu jedem getrennten Widerstand gelieferte Leistung kann eingerichtet werden.
• 4. Die Tröpfchenaufbrechphase von jedem Tintenstrom oder Strahl ist identisch, weil die örtliche Störung von jedem Strahl gleichzeitig mit derjenigen von jedem der anderen Strahlen in der Gruppierung auftritt, weil der Stromimpuls zu jedem Widerstand von-einer einzigen Versorgung abgeleitet wird.
• 5. Die Größe und das Gewicht des Tropfengenerators sollte beträchtlich verringert werden, da der Herstellungswerkstoff Silizium ist und ein großer akustischer Behälter nicht benötigt wird.
• 6. Da ein großer, akustischer Behälter nicht benötigt wird und da die Treiberwiderstände nahe dem Düsenausgang angeordnet werden können, ist das Einschalten weniger mühsam, insbesondere für die Ausgestaltungen, wo die Widerstände nahe jeder Düse aber stromaufwärts davon beabstandet sind, wodurch ein anfänglicher Tröpfchenausstoß durch den typischen Tropfen-auf-Anforderung- Blasenstrahlbetrieb erzeugt werden könnte, dem ein Dauerstrahlbetrieb folgt, wobei der Strom zu den Widerständen verringert ist, um eine Verdampfung der Tinte zu verhindern.

Claims (9)

1. Ein Dauerstrahl-Tintenstrahldrucker, enthaltend:

einen Druckkopf (10) umfassend ein ersten Körper (28), der auf einer seiner Oberflächen wenigstens ein Heizelement (18) und Adressierelektroden (17) zum Liefern von Stromimpulsen dahin aufweist;

einen zweiten Körper (31), der eine Ausnehmung (20) und eine Mehrzahl von parallelen Kanälen (22) in einer seiner Oberflächen aufweist, wobei ein Ende der Kanäle in einer Seitenoberfläche endet und sich das andere Ende in die Ausnehmung öffnet, wobei die zwei Körper zusammenpassend sind, wobei die genannten Oberflächen dauerhaft miteinander verbunden sind, so daß die Ausnehmung und die Kanäle durch den ersten Körper geschlossen werden, um eine Tintenverzweigung und Kanäle zu bilden, wobei das oder jedes Heizelement in einer Oberfläche eines Tintenkanales so liegt, daß es von der Tinte berührbar ist, und

von den Adressierelektroden beabsichtigt ist, mit einer Quelle von Stromimpulsen bei einer vorbestimmten Frequenz und Leistung verbunden zu werden, so daß die das oder jedes Heizelement berührende Tinte während der Anwendung der Stromimpulse eine gleichmäßige Änderung ihrer Dichte, Viskosität oder Oberflächenspannung als Ergebnis ihre Temperaturänderung aufrecht erhält,

der Druckkopf mit einer Einrichtung zum ununterbrochenen Zuführen von sich unter Druck befindender Tinte in die Verzweigung verbunden werden kann,

die Quelle von Stromimpulsen eine ununterbrochene Reihe von Impulsen gleichzeitig allen Kanälen zuführen kann, und die Impulse derart sind, daß sie die Tinte in jeden Kanal erwärmen, ohne daß die Temperatur der Tinte auf einen Wert angehoben wird, bei dem die Tinte verdampfen würde, oder in ihr eine Zustandsänderung erzeugen würde.

2. Der Drucker des Anspruches 1, bei dem das Heizelement ein einzelnes Heizelement ist, das in der Druckkopfverzweigung angeordnet ist.

3. Der Drucker des Anspruches 1, wobei ein Satz gemeinsam mit energieversorgter Heizelemente eingeschlossen ist, wobei ein Heizelement in jedem Kanal in der Nähe, jedoch stromaufwärts der Öffnung angeordnet ist, die durch den Schnitt eines jeden Kanales mit der Seite des zweiten Körpers erzeugt wird.

4. Der Drucker des Anspruches 3, umfassend eine einzelne, passivierte Adressierelektrode, die in jedem Kanal angeordnet ist, und eine passivierte, gemeinsame Rückführelektrode, die zwischen den Heizelementen und den Öffnungen angeordnet ist.

5. Der Drucker des Anspruches 3, umfassend eine einzelne Adressierelektrode und eine einzelne Rückführelektrode für jedes Heizelement; wobei die Heizelemente den Öffnungen benachbart sind und dieselbe Länge und Weite wie der Kanal aufweisen; und wobei sich weder die Adressierelektroden noch die Rückführelektroden in den Kanälen befinden.

6. Der Drucker nach einem beliebigen, vorhergehenden Anspruch, bei dem die Länge der Kanäle im Bereich von 12,5 bis 250 um ist.

7. Der Drucker nach einem beliebigen, vorhergehenden Anspruch, wobei der erste und der zweite Körper aus Silizium sind.

8. Der Drucker nach einem beliebigen, vorhergehenden Anspruch, wobei der zweite Körper eine Schicht aus einem fotoempfindlichen Material, das mit einem Muster versehen ist, um die Kanäle und die Ausnehmung zu bilden, und eine feste Abdeckung umfaßt, die über der mit einem Muster versehenen, fotoempfindlichen Schicht verbunden ist, so daß die Kanäle und die Ausnehmung in dem Druckkopf vorgesehen sind, indem die fotoempfindliche Schicht zwischen den Körper und die Abdeckung zwischengesetzt ist, wobei die durch Muster gebildeten Kanäle und Ausnehmung in geeigneter Weise zu dem oder jedem Heizelement ausgerichtet sind.

9. Der Drucker nach einem beliebigen, vorhergehenden Anspruch, einschließend einen Druckkopf mit einer Mehrzahl von Öffnungen, die Tintenströme aus sich heraus in Richtung zu einem Aufzeichnungsmedium aussenden, eine Mehrzahl von tinteaufladenden Elektroden, die an der Stelle angeordnet sind, wo die Tintenströme in Tröpfchen aufbrechen, eine Sammeleinrichtung, Ablenkelektroden und eine Einrichtung, um eine Spannung an jede Aufladungselektrode in Antwort auf binäre Druck- und Nichtdruck-Signale zu legen, um zwei Ladungspegel an den Tröpfchen zu erzeugen.