DE3919991A1

DE3919991A1 - Verfahren zur tintenstrahlaufzeichnung

Info

Publication number: DE3919991A1
Application number: DE3919991A
Authority: DE
Inventors: Akira Asai
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1988-06-20
Filing date: 1989-06-19
Publication date: 1989-12-21
Also published as: US5548312A; GB2220618A; GB2220618B; GB8914028D0; JPH023312A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Tinten strahlaufzeichnung, wobei unter Anwendung des Drucks einer durch ein Erhitzen eines elektrothermischen Wandlerele ments erzeugten Blase fliegende Tintentröpfchen hervorge rufen und diese Tröpfchen dazu gebracht werden, an einem Aufzeichnungsträger zu haften, so daß die Aufzeichnung von Abbildungen od. dgl. bewerkstelligt wird.

Als ein Tintenstrahl-Aufzeichnungsverfahren dieser Art, wobei Wärmeenergie genutzt wird, sind ein in der JP-Patent- OS Nr. 56 - 1 39 970 und in der US-PS 47 23 129 offenbartes Verfahren bekannt, wonach der bei Erzeugen einer Blase her vorgerufene Druck zur Anwendung kommt, oder es ist ein Ver fahren nach der US-PS 45 80 149 bekannt, wobei von einem Mikrostrahl, der erzeugt wird, wenn eine gebildete Blase zusammenfällt, Gebrauch gemacht wird.

Bei den oben beschriebenen Verfahren nach dem Stand der Technik wird jedoch die Größe eines ausgestoßenen Tinten tröpfchens gleich dem Volumen oder zu einem Bruchteil des Volumens der expandierten Blase, und das hat sich als Hin dernis für die Ausbildung eines winzigen Tintentröpfchens erwiesen, was zur Bewerkstelligung einer hochdichten Auf zeichnung, die aus winzigen Bildelementen besteht, aber notwendig ist.

Als ein Verfahren zur Verminderung der Größe eines ausgesto ßenen Tintentröpfchens hat man in Erwägung gezogen, den die Hitze erzeugenden Teil klein zu machen oder eine sehr kleine Düse bzw. Austrittsöffnung zum Ausstoßen der Tinte zu verwenden, jedoch ist es im einen wie im anderen Fall auf Grund der Beschränkungen oder Grenzen in der Fertigungs technik schwierig gewesen, winzige Tröpfchen, die kleiner als ein gewisses Größenmaß sind, zu bilden.

Im Hinblick auf den Stand der Technik ist es die Aufgabe der Erfindung, das oben herausgestellte, diesem anhaftende Problem zu lösen und ein Tintenstrahl-Aufzeichnungsverfah ren anzugeben, wonach winzige Tintentröpfchen gebildet wer den können, ohne einen Aufzeichnungskopf selbst zu klein zu machen.

Ein Ziel der Erfindung ist es hierbei, ein Tintenstrahl- Aufzeichnungsverfahren vorzuschlagen, wobei ein Tintenaus stoß unter Nutzung des Drucks, wenn eine Blase ein maxi males Volumen erreicht und anschließend sich zusammenzieht sowie sich dann wieder ausdehnt, bewirkt wird, wodurch ein Tintenausstoß, bei dem die Bewegung der flüssigen Tinte gering ist, ermöglicht wird.

Darüber hinaus ist es ein Ziel der Erfindung, ein Tinten strahl-Aufzeichnungsverfahren vorzuschlagen, wobei eine Blase in flüssiger Tinte hervorgerufen wird, indem ein elek trisches Signal einem elektrothermischen Wandlerelement zugeführt wird, um dadurch die Wärmeerzeugung des elektro thermischen Wandlerelements zu bewirken, und wobei anstelle des Tintenausstoßes durch die Expansion der Blase oder des Aufzeichnens durch das Ausstoßen ein Tintentröpfchen durch den Druck ausgestoßen wird, wenn diese Blase sich zusammen zieht und sich erneut ausdehnt, nachdem die Ausdehnung der Blase ein Maximum erreicht hat, worauf das ausgestoßene Tintentröpfchen auf einen Aufzeichnungsträger geschleudert wird, um dadurch eine Aufzeichnung zu bewerkstelligen.

Der Erfindungsgegenstand wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1A-1D Querschnitte eines Aufzeichnungskopfes in einer Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 2A und 2B eine Seitenansicht sowie eine Draufsicht zu Einzelheiten eines elektrothermischen, in Fig. 1 dargestellten Wandlerelements;

Fig. 3A-3D Querschnitte eines Aufzeichnungskopfes in einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform.

Die in den Fig. 1A-1D gezeigte Ausführungsform eines Tin tenstrahl-Aufzeichnungskopfes umfaßt ein elektrothermi sches Wandlerelement 1, flüssige Tinte 2, eine Blase 3, eine Ausstoß-Lochplatte 4, eine Grundplatte 4′ und eine Ausstoßöffnung 5. Eine durch die Ausstoß-Lochplatte 4 und die Grundplatte 4′ gebildete Kammer ist mit der flüssigen Tinte 2 gefüllt, und die Blase 3 wird in der flüssigen Tin te 2 durch das elektrothermische Wandlerelement 1 hervor gerufen so daß ein winziges Tintentröpfchen 6 zum Fliegen von der Ausstoßöffnung 5 der Lochplatte 4 gebracht wird.

Wie die Fig. 1A zeigt, wird, wenn ein elektrisches Impuls signal an das elektrothermische Wandlerelement 1 gelegt wird, dieses erhitzt, so daß die Blase 3 in der Tinte 2 erzeugt wird, und die Blase 3 beginnt sich auszudehnen und ihr maximales Volumen zu erreichen. Zu dieser Zeit ist die flüssige Tinte 2 dabei, von der Ausstoßöffnung 5 ausge stoßen zu werden, sie wird jedoch nicht ausgestoßen, weil die fluidische Impedanz, die durch einen Faktor, wie eine Oberflächenspannung, bestimmt ist und später noch beschrie ben wird, groß ist. Bei einem Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf gemäß dem Stand der Technik wird jedoch zu diesem Zeitpunkt ein Tintentröpfchen bereits ausgestoßen.

Wie die Fig. 1B zeigt, zieht sich die Blase 3 dann plötz lich zusammen, weil die Temperatur der flüssigen Tinte 2 rund um die Blase 3 kalt geworden ist, und als Ergebnis dessen zieht sich der Meniskus der Ausstoßöffnung 5 zurück.

Bei der plötzlichen Kontraktion der Blase 3 tritt eine sog. Kavitationsverdichtungserscheinung auf. Wenn sich die Bla se 3 plötzlich zusammenzieht, so wird nämlich die Kondensa tion des Gases in der Blase nutz- oder wirkungslos, so daß das Gas in der Blase plötzlich einen hohen Druck annimmt. Dadurch wird, wie in Fig. 1C gezeigt ist, die Blase 3 erneut expandiert und ruft eine Stoßwelle hervor, die zur Erzeu gung eines Vorsprungs oder "Spritzers" im Meniskus der Aus stoßöffnung 5 führt.

Dieser im Meniskus hervorgerufene "Spritzer" fliegt als ein winziges Tintentröpfchen 6, das kleiner ist als ein Tintentröpfchen bei dem Stand der Technik, wie in Fig. 1D gezeigt ist, und kommt zum Anhaften an einem Aufzeichnungs träger, so daß ein Bildelement zur Darstellung eines Schrift zeichens oder einer Abbildung gebildet wird, während die Blase 3 verschwindet.

Der Tintentröpfchenausstoß durch die oben beschriebene Stoßwelle kann im Gegensatz zum herkömmlichen Tintentröpf chenausstoß, wobei eine Blase oder ein Mikrostrahl verwen det wird, einen Druck als eine einwandfreie Welle auf den Meniskus übertragen, ohne einen großen Anteil der flüssigen Tinte zu bewegen, und insofern wird es möglich, eine kleine Menge an flüssiger Tinte oder ein Tintentröpfchen von ganz geringer Größe mit hoher Geschwindigkeit auszustoßen.

Die Fig. 2A und 2B zeigen in einer Seitenansicht bzw. einer Draufsicht die Einzelheiten des elektrothermischen Wandler elements 1. Eine Oberflächen-Oxydationsschicht (SiO₂) 8 mit einer Dicke von 3 µm wird auf der oberen Fläche eines eine Dicke von 0,5 mm aufweisenden Siliziumsubstrats 7 durch eine Wärmebehandlung gebildet. Auf der oberen Fläche der Oberflächen-Oxydationsschicht 8 wird durch einen Sprüh vorgang eine Widerstandsschicht (HfB₂) 9 mit einer Dicke von 0,13µm ausgestaltet.

Ein Teil der Widerstandsschicht 9 wird durch Ätzen entfernt, und auf dem entfernten Bereich werden durch eine Elektro nenstrahl-Verdampfungsmethode Elektrodenschichten (Al) 10 mit einer Dicke von 0,5µm gebildet.

Eine durch diese Schichten gebildete Dünnschicht wird einem Vorgang zur Strukturbildung durch Ätzen unterworfen, und dann werden auf deren Oberfläche eine Isolierschicht (SiO₂) 11 mit einer Dicke von 1,9µm und eine Schutzschicht (Ta) 12 mit einer Dicke von 0,55µm durch Aufsprühen ge bildet.

Ein als ein Quadrat mit einer jeweiligen Seitenlänge von 50µm ausgestaltetes Wärmeerzeugungsteil 13 wird auf dem oben beschriebenen Bauteil ausgebildet, und dieses Wärmeer zeugungsteil 13 erzeugt durch einen Rechteckimpuls einer Spannung von 20 V und einer Impulsbreite von 10µs, der zwischen die Elektroden 10 angelegt wird, Wärme.

Die Fig. 3A-3D zeigen eine zweite Ausführungsform eines Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfes gemäß der Erfindung, wobei zu Fig. 1A-1D gleiche Bauelemente mit denselben Bezugs zeichen bezeichnet sind und nicht erneut beschrieben werden. Das Bauteil oder die Konstruktion gemäß den Fig. 3A-3D unterscheidet sich von dem in den Fig. 1A-1D gezeigten Bauteil in der Lage, mit welcher das elektrothermische Wand lerelement 1 angeordnet ist. Bei der Ausführungsform nach den Fig. 1A-1D ist dieses Wandlerelement in der Kammer für die flüssige Tinte aufgenommen, während bei der Ausfüh rungform nach den Fig. 3A-3D das Wandlerelement in einer Düse, die eine Ausstoßöffnung 5 hat, angeordnet ist. Das Ansprechverhalten für den Tintenausstoß auf den angelegten Impuls wird dadurch rascher.

Bei den beschriebenen und gezeigten Ausführungsformen wird die flüssige Tinte nicht während der ersten Blasenbildung und der anschließenden Blasenexpansion ausgestoßen, wie es im Stand der Technik der Fall ist, wobei die flüssige Tinte schon zu diesem Zeitpunkt ausgestoßen und durch das ausgestoßene Tintentröpfchen ein Bildelement erzeugt wird, um dadurch eine Aufzeichnung zu bewerkstelligen. Dagegen wird gemäß der Erfindung der Aufzeichnungskopf so ausgestal tet und konstruiert, daß zu diesem Zeitpunkt ein Tinten tröpfchen nicht zum Fliegen gebracht wird. Bei den beiden beschriebenen Ausführungsformen wird das dadurch erreicht, daß die fluidische Impedanz groß gemacht wird.

Die fluidische Impedanz ist eine durch die Viskosität und die Masse der flüssigen Tinte oder durch die Gestaltung der Kammer für die flüssige Tinte, der Düse bzw. der Aus stoßöffnung und ferner des Drucks der Blase bestimmte Größe, und sie ist ein Begriff, der der Impedanz einer elektrischen Schaltung gleichartig ist.

Um die mit der Erfindung verfolgten Ziele zu erreichen, kann jedoch eine solche Konstruktion vorgesehen sein, daß selbst dann, wenn ein Tintentröpfchen während der ersten Blasenbildung ausgestoßen wird, dieses ausgestoßene Tinten tröpfchen ein Bildelement nicht ausbildet. Als eine Einrich tung, um diesen Zweck zu erreichen, ist beispielsweise eine Technik zur Abschirmung des ausgestoßenen Tintentröpfchens in der JP-Patent-OS Nr. 54 - 934 offenbart.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung deutlich wird, wird ein Tintenausstoß unter Nutzung des Drucks, wenn die Blase ein maximales Volumen erreicht, anschließend sich zusammen zieht und sich erneut ausdehnt, bewirkt, und deshalb wird ein Tintenausstoß, bei dem die Bewegung der flüssigen Tinte gering ist, ermöglicht.

Dadurch kann das ausgestoßene Tintentröpfchen winzig ausge bildet und demzufolge eine Aufzeichnung von hoher Dichte durch winzige Bildelemente ermöglicht werden, so daß Abbil dungen mit einer höheren Präzision verwirklicht werden können.

Claims

Verfahren zur Tintenstrahlaufzeichnung, dadurch gekennzeichnet, daß einem elektrothermischen Wandler element ein elektrisches Signal eingegeben wird, um die Wärmeerzeugung dieses Wandlerelements hervorzurufen und dadurch ein Blase in flüssiger Tinte zu erzeugen, daß ein Tintentröpfchen durch den Druck, wenn sich diese Blase zu sammenzieht und erneut ausdehnt, nachdem die Expansion der Blase ein Maximum erreicht hat, ausgestoßen wird und daß das ausgestoßene Tintentröpfchen auf einen Aufzeichnungs träger zur Ausbildung einer Aufzeichnung geschleudert wird.