DE60202344T2

DE60202344T2 - Dod-vorrichtung mit thermischer betätigungsvorrichtung und hochfrequenzverfahren

Info

Publication number: DE60202344T2
Application number: DE60202344T
Authority: DE
Inventors: David Paul Rochester Trauernicht; John Andrews Rochester Lebens
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 2001-11-06
Filing date: 2002-10-25
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2022-10-26
Also published as: US6460972B1; DE60202344D1; EP1308282B1; EP1308282A1; JP2003182081A

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf DOD-Emitter zum Ausstoßen von Flüssigkeiten und insbesondere auf mit thermomechanischen Betätigungsvorrichtungen arbeitende Tintenstrahlgeräte.
Drop-on-demand-Emitter (DOD-Emitter) zum Ausstoßen von Flüssigkeitstropfen sind seit vielen Jahren als Tintendruckvorrichtungen in Tintenstrahlsystemen bekannt. Frühere Geräte basierten auf piezoelektrischen Betätigungselementen, wie sie zum Beispiel von Kyser et al. in US-A-3 946 398 und von Stemme in US-A-3 747 120 beschrieben werden. Bei einer derzeit populären Form des Tintenstrahldrucks, dem Thermo-Tintenstrahldruck (oder "Bubble jet"-Druck), werden – wie von Hara et al. in US-A-4 296 421 beschrieben – zum Ausstoßen der Tintentropfen Dampfblasen erzeugende elektroresistive Heizelemente eingesetzt.
Mit elektroresistiven Heizelementen arbeitende Betätigungsvorrichtungen haben gegenüber piezoelektrischen Betätigungsvorrichtungen Vorteile hinsichtlich der Herstellungskosten, weil sie mittels hoch entwickelter mikroelektronischer Prozesse hergestellt werden können. Andererseits erfordern thermische Tintenstrahl-Tropfenausstoßmechanismen, dass die Tinte eine verdampfbare Komponente enthält, und die Tintentemperaturen steigen örtlich weit über den Siedepunkt dieser Komponente hinaus an. Diese Temperaturrisiken setzen der Formulierung der Tinten und der sonstigen Flüssigkeiten, die von thermischen Tintenstrahlausstoßvorrichtungen zuverlässig ausgestoßen werden können, enge Grenzen. Da bei piezoelektrisch betätigten Vorrichtungen mechanisch Druck auf die Flüssigkeit ausgeübt wird, setzen diese Vorrichtungen den zu emittierenden Flüssigkeiten keine derart engen Grenzen.
Die von den Anbietern von Tintenstrahlgeräten erzielten Verbesserungen hinsichtlich Verfügbarkeit, Kosten und technischer Leistung haben auch zu einem Interesse an den genannten Vor richtungen für andere Anwendungen geführt, die eine Mikrodosierung von Flüssigkeiten erfordern. Neue Anwendungen dieser Art sind zum Beispiel die Dosierung spezieller Chemikalien für die mikroanalytische Chemie, wie sie von Pease et al. in US-A-5 599 695 beschrieben werden, die Dosierung von Beschichtungsmaterialien bei der Herstellung elektronischer Geräte, wie sie von Naka et al. in US-A-5 902 648 beschrieben wird, und die Dosierung von Mikrotropfen für die medizinische Inhalationstherapie, wie sie von Psaros et al. in US-A-5 772 882 beschrieben wird. Vorrichtungen und Verfahren, die in der Lage sind, nach Bedarf Tropfen der unterschiedlichsten Flüssigkeiten im Mikronbereich auszustoßen, werden zum einen beim Drucken von Bildern höchster Qualität, aber auch für neue Anwendungen benötigt, bei denen Flüssigkeiten zu einzelnen ultrafeinen Tropfen dispergiert, präzise platziert und zeitlich gesteuert und minutiös abgestuft werden müssen.
Es wird eine kostengünstige Lösung für das Ausstoßen von Mikrotropfen benötigt, die bei einer Vielzahl unterschiedlich formulierter Flüssigkeiten einsetzbar ist. Dabei werden Vorrichtungen und Verfahren benötigt, die den Vorteil der mikroelektronischen Fertigung bei thermischen Tintenstrahl-Betätigungsvorrichtungen mit den für piezo-elektromechanische Vorrichtungen bestehenden breiten Möglichkeiten unterschiedlicher Flüssigkeitszusammensetzungen verbindet.
Eine DOD-Tintenstrahlvorrichtung, die mit einer thermomechanischen Betätigungsvorrichtung arbeitet, wurde bereits von T. Kitahara in JP 20-30543, eingereicht am 21. Juli 1988, beschrieben. Die Betätigungsvorrichtung ist als in einer Tintenstrahlkammer bewegbarer doppellagiger Ausleger ausgebildet. Der Ausleger wird durch einen Widerstand erwärmt und biegt sich aufgrund der ungleichen Wärmeausdehnung der Schichten. Durch die Bewegung des freien Endes des Auslegers wird auf die Tinte an der Düse Druck ausgeübt und ein Tropfen ausgestoßen. In jüngster Zeit wurde eine ähnliche thermomechanische DOD-Tintenstrahlvorrichtung von K. Silverbrook in US-A-6 067 797, 6 234 609 und 6 239 821 beschrieben. Verfahren für die Herstellung thermomechanischer Tintenstrahlvorrichtungen mittels mikroelektronischer Prozesse werden von K. Silverbrook in US-A-6 254 793 und 6 274 056 beschrieben.
DOD-Tintenstrahlvorrichtungen, die mit sich verformenden thermomechanischen Betätigungsvorrichtungen arbeiten, wurden von Matoba et al. in US-A-5 684 519 und von Abe et al. in US-A-5 825 383 beschrieben. Bei den dort beschriebenen Vorrichtungen wölbt sich eine thermo mechanische Platte, die einen Teil der Wandung der Tintenkammer bildet, bei Erwärmung nach innen vor, wodurch Tropfen ausgestoßen werden.
Tropfenemitter mit thermomechanischen Betätigungsvorrichtungen versprechen großen Nutzen als kostengünstige Vorrichtungen, die mittels mikroelektronischer Materialien und Geräte in Massenfertigung hergestellt und auch mit solchen Flüssigkeiten betrieben werden können, mit denen bei thermischen Tintenstrahlvorrichtungen keine zuverlässigen Ergebnisse erzielt werden könnten. Allerdings erfordert der Betrieb von Tropfen-Ausstoßvorrichtungen mit thermischen Betätigungselementen bei hohen Tropfen-Wiederholfrequenzen eine sorgfältige Beachtung des Problems des übermäßigen Wärmeaufbaus. Die Ausbildung des Tropfens beruht auf der Erzeugung eines Druckimpulses in der Flüssigkeit an der Düse. Stärkere Abweichungen der Grundtemperatur des Emitters und insbesondere der thermomechanischen Betätigungsvorrichtung selbst führen zu unberechenbarer Emission, unter anderem auch zu stark schwankendem Volumen und stark schwankender Geschwindigkeit der Tropfen.
Bei thermischen Tintenstrahlsystemen sind Temperatursteuertechniken bekannt, bei denen elektrische Impulse, die nicht zu einem Ausstoß von Tropfen führen, dafür bestimmt sind, in einem Element der thermischen Tintenstrahlvorrichtung eine Solltemperatur aufrecht zu erhalten. Bohorquez et al. beschreiben in US-A-5 736 995 ein Verfahren zur Betätigung einer thermischen Tintenstrahlvorrichtung, bei dem auf demselben Substrat, auf dem auch die Heizwiderstände für die Erzeugung der Blasen angeordnet sind, ein Temperatursensor vorgesehen ist. Die nicht druckenden elektrischen Impulse werden während der Heizperioden, in denen keine Tropfen benötigt werden, nach Bedarf an die Heizwiderstände angelegt, um die Substrattemperatur auf einem Sollwert zu halten.
K. Yeung beschreibt in US-A-5 168 284 ein prozessgekoppeltes Verfahren zum Aufrechterhalten einer konstanten Druckkopftemperatur bei einem thermischen Tintenstrahldruckkopf. Dabei werden in allen Zeitperioden, in denen keine Drucktropfen benötigt werden, nicht druckende Impulse, die gegenüber den druckenden Impulsen eine geringere Energie aufweisen, an die Heizwiderstände angelegt.
Die bekannten Lösungen für Temperatursteuerungen, die für Tintenstrahldruckvorrichtungen entwickelt und beschrieben wurden, sind jedoch für die Betätigung einer Ausstoßvorrichtung mit thermomechanischer Betätigungsvorrichtung mit hohen Frequenzen nicht ausreichend. Bei den bekannten Lösungen werden die hoch komplexen thermischen Effekte nicht berücksichtigt, die bei Impulssteuerung auf der Grundlage eines typischen DOD-Datenstroms innerhalb der thermomechanischen Betätigungsvorrichtung und in Richtung von dieser weg auftreten. Wenn die thermischen Gesetzmäßigkeiten der thermomechanischen Betätigungsvorrichtung nicht stabilisiert sind, müssen die Tropfenwiederholraten eng begrenzt werden.
Es besteht ein Bedarf an thermomechanischen DOD-Ausstoßvorrichtungen, bei denen die thermischen Bedingungen und Profile der Geräteelemente in Hinblick auf die Maximierung der Produktivität dieser Geräte gesteuert werden. Die Erfinder haben erkannt, dass eine gleichmäßige DOD-Emission mit stark verbesserten Frequenzen dadurch erreicht werden kann, dass man die thermische Betätigungsvorrichtung unter besonderer Beachtung des statischen Wärmeenergieflusses in die Betätigungsvorrichtung, den Tropfen-Emitter und die gesamte Vorrichtung für den Ausstoß von Tropfen betätigt. Diese Lösung ist nicht vergleichbar mit bekannten Tintenstrahlsystemen, die über eine Steuerung der Substrattemperatur der Vorrichtung gesteuert werden. Es ist schwierig, anhand einer Temperaturmessung an einem anderen Punkt der Tropfenausstoßvorrichtung die zurückbleibende Position der thermischen Betätigungsvorrichtung vorherzusagen, und dies insbesondere bei großen Anordnungen thermischer Betätigungsvorrichtungen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen auf thermomechanischem Wege betätigten Emitter für Flüssigkeitstropfen bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen thermomechanischen Emitter für Tropfen bereitzustellen, der Serien und Gruppen von Tropfen mit im Wesentlichen gleichem Volumen und gleicher Geschwindigkeit erzeugt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, dass ein thermomechanischer Emitter für Tropfen bereitgestellt wird, bei dem eine konstante Eingangsenergie aufrecht erhalten und dadurch ein stabiler thermischer Zustand in der thermomechanischen Betätigungsvorrichtung, dem Tropfen-Emitter und der Vorrichtung insgesamt geschaffen wird und der Betrieb des Emitters nach DOD-Art mit hoher Frequenz möglich wird.
Die vorstehend beschriebenen und zahlreiche weitere Merkmale, Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden aus der hierin enthaltenen detaillierten Beschreibung, den Ansprüchen und Zeichnungen besser verständlich. Diese Merkmale, Aufgaben und Vorteile werden erreicht durch die Bereitstellung eines Tropfen-Emitters zum Ausstoßen einer Reihe von Flüssigkeitstropfen mit im Wesentlichen gleichem Volumen und gleicher Geschwindigkeit, wobei der Emitter eine mit Flüssigkeit gefüllte Kammer mit einer Düse und eine thermische Betätigungsvorrichtung aufweist, die an der Düse Druck auf die Flüssigkeit ausübt. Die thermische Betätigungsvorrichtung weist ferner elektroresistive Heizelemente auf, die die thermische Betätigungsvorrichtung als Reaktion auf elektrische Impulse schlagartig erwärmen. Durch das plötzliche Erwärmen biegt sich die thermische Betätigungsvorrichtung und übt auf die an der Düse vorhandene Flüssigkeit einen Druck aus, der ausreicht, einen Tropfen auszustoßen. Mit der Tropfen-Ausstoßvorrichtung ist eine Quelle elektrischer Impulse verbunden, und eine Steuerung empfängt Befehle für das Ausstoßen von Tropfen und bestimmt das Timing und die Parameter der an die Tropfen-Ausstoßvorrichtung angelegten elektrischen Impulse. Das Verfahren zum Betreiben der Ausstoßvorrichtung umfasst das Bestimmen eines nominalen elektrischen Impulses mit einer nominalen Energie E₀ und einer nominalen Impulsdauer T_P0, wobei der nominale elektrische Impuls, wenn er mit einer Periodendauer T_C an die Heizvorrichtung angelegt wird, das Ausstoßen eines Tropfens mit vorgegebenem Volumen und vorgegebener Geschwindigkeit bewirkt. Außerdem umfasst das Verfahren des Bestimmen eines nominalen elektrischen Impulses mit einer Energie E₀ und einer statischen Impulsdauer T_Pss, wobei der statische elektrische Impuls bei Anlegen an die Heizvorrichtung keinen Ausstoß oder kein Verwischen der Flüssigkeit aus der Düse bewirkt. Das Verfahren umfasst ferner das Anlegen eines nominalen elektrischen Impulses für den Ausstoß eines Tropfens oder eines statischen elektrischen Impulses an die Heizvorrichtung während jeder Impulsdauer T_C, so dass im Durchschnitt eine Leistung P_AVE – wobei P_AVE = E₀/T_C ist – an den Tropfen-Emitter angelegt wird, um einen statischen thermischen Zustand aufrecht zu erhalten. Das Anlegen statischer elektrischer Impulse kann zum Zweck der Energieeinsparung auch auf der Grundlage der Bestimmung der für das Erreichen eines statischen thermischen Zustands benötigten Zeit und einer Grundfolge von Tropfenausstoßbefehlen ausgesetzt oder beim Einschalten des Systems ausgelöst werden.
Die Erfindung eignet sich insbesondere für Emitter zum Ausstoßen von Tintentropfen für den DOD-Tintenstrahldruck. Bei dieser Ausführungsform liegen Bilddaten in stark variierenden Clustern und Serien von Tropfendruckbefehlen vor. Die Erfindung ermöglicht es einer thermomechanisch betätigten Tintenstrahlvorrichtung, solche Muster mit hoher Tropfenausstoßfrequenz zu drucken.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Tintenstrahlsystems;
2 eine Draufsicht einer Anordnung von erfindungsgemäßen Tintenstrahleinheiten oder Tropfen-Emittereinheiten;
3 eine vergrößerte Draufsicht einer der in 2 dargestellten Tintenstrahleinheiten;
4 eine Seitenansicht einer der in 2 und 3 dargestellten Tintenstrahleinheiten, in der die Bewegung der thermischen Betätigungsvorrichtung zum Ausstoßen von Tropfen zu erkennen ist;
5 eine Seitenansicht einer einzelnen Tintenstrahleinheit mit einer sich wölbenden thermischen Betätigungsvorrichtung, aus der die Bewegung der thermischen Betätigungsvorrichtung zum Ausstoßen von Tropfen zu erkennen ist;
6 eine vergrößerte Seitenansicht einer thermischen Ausleger-Betätigungsvorrichtung, in der die vom Heizelement ausgehenden Wärmeströme zu erkennen sind;
7 die Entspannung der thermischen Betätigungsvorrichtung während deren Abkühlung aufgrund der in andere Materialien und Strukturen der Tropfenausstoßvorrichtung fließenden Wärme;
8 die Entspannung der thermischen Betätigungsvorrichtung bei Erreichen des inneren thermischen Gleichgewichts;
9 die Entspannung einer thermischen Betätigungsvorrichtung bei deren Abkühlung durch die kombinierten inneren und äußeren Wärmeströme;
10 die Entspannung einer thermischen Betätigungsvorrichtung bei deren Abkühlung durch die kombinierten inneren und äußeren Wärmeströme;
11 die erfindungsgemäß einsetzbaren elektrischen Impulse und Signale;
12 die gemäß einer Ausführungsform der Erfindung einsetzbaren elektrischen Impulse und Signale; und
13 eine Zeitfolge einer erfindungsgemäßen Tropfenausstoßvorrichtung.
Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen beschrieben, es versteht sich jedoch, dass Abweichungen und Modifikationen im Rahmen der Erfindung möglich sind.
Wie im Folgenden im Detail beschrieben wird, stellt die Erfindung eine Vorrichtung für den DOD-Flüssigkeitsausstoß und Verfahren zu deren Betätigung bereit. Die bekanntesten dieser Vorrichtungen sind als Druckköpfe in Tintenstrahldrucksystemen im Einsatz. Derzeit entwickeln sich jedoch zahlreiche Anwendungen, die mit Tintenstrahldruckköpfen ähnlichen Vorrichtungen arbeiten, jedoch keine Tinten, sondern andere Flüssigkeiten verwenden, die fein dosiert und mit großer räumlicher Präzision platziert werden müssen. In dieser Beschreibung werden die Begriffe "Tintenstrahl-" und "Tropfenausstoß"-vorrichtung austauschbar verwendet. Die nachstehend beschriebenen Erfindungen stellen Vorrichtungen und Verfahren zum Betreiben von Tropfenausstoßvorrichtungen auf der Basis thermomechanischer Betätigungselemente bereit, die die Energieeffizienz verbessern und die Tropfenausstoß-Produktivität insgesamt steigern sollen.
1 zeigt zunächst eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäß betreibbaren Tintenstrahldrucksystems. Das System umfasst eine Bilddatenquelle 400, deren Signale von einer Steuerung 300 als Befehle für das Drucken von Tropfen empfangen werden. Die Steuerung 300 ihrerseits führt die in den folgenden Absätzen noch zu beschreibenden Feststellungen und Berechnungen durch. Die Steuerung 300 führt einer Quelle elektrischer Impulse 200 Signale zu, und die Impulsquelle 200 ihrerseits erzeugt ein elektrisches Spannungssignal, bestehend aus elektrischen Energieimpulsen, die mit den einzelnen thermomechanischen Betätigungselementen 20 im Tintenstrahldruckkopf 100 verbundenen elektroresistiven Heizelementen zugeführt werden. Die elektrischen Energieimpulse führen dazu, dass sich ein thermomechanisches Betätigungselement (im Folgenden auch "thermische Betätigungsvorrichtung genannt") rasch biegt, dadurch Druck auf an der Düse 30 befindliche Tinte 60 ausübt und einen Tintentropfen 50 ausstößt. Die Erfindung bewirkt den Ausstoß von Tropfen im Wesentlichen gleichen Volumens und gleicher Geschwindigkeit, d. h. mit einem Volumen und einer Geschwindigkeit innerhalb einer Toleranz von +/–20% gegenüber einem Nominalwert. Manche Tropfenausstoßvorrichtungen stoßen einen Haupttropfen und sehr kleine nachlaufende Tropfen, so genannte Satellitentropfen, aus. Die Erfindung geht davon aus, dass diese Satellitentropfen als Teil des Haupttropfens anzusehen sind, der im Sinne der Erfindung insgesamt, d. h. zum Drucken eines Bildpixels oder für die Mikrodosierung einer Flüssigkeitsmenge, ausgestoßen wird.
2 zeigt eine Draufsicht eines Teils eines Tintenstrahldruckkopfs 100. Dargestellt ist eine Anordnung thermisch betätigter Tintenstrahleinheiten 110 mit zentral ausgerichteten Düsen 30 und in zwei Reihen versetzt angeordneten Tintenkammern 12. Die Tintenstrahleinheiten 110 sind mittels mikroelektronischer Fertigungsverfahren auf und in einem Substrat 10 ausgebildet. Eine beispielhafte Fertigungsfolge der Ausbildung von Tropfenausstoßvorrichtungen 110 ist in der Parallelanmeldung 09/726 945, eingereicht am 30. November 2000, mit dem Titel "Thermische Betätigungsvorrichtung", abgetreten an den Abtretungsempfänger dieser Erfindung, beschrieben.
Jeder Tropfenausstoßeinheit 110 sind elektrisch leitende Kontakte 42, 44 zugeordnet, die mit einem in 2 gestrichelt angedeuteten U-förmigen elektroresistiven Heizelement 22 ausgebildet oder elektrisch verbunden sind. Bei der dargestellten Ausführungsform besteht der Widerstand 22 aus einer Schicht des thermischen Betätigungselements 20 und trägt zu den im Folgen den noch zu beschreibenden thermomechanischen Effekten bei. Das Element 80 des Druckkopfs 100 besteht aus einer eine Befestigungsfläche für das mikroelektronische Substrat 10 bildenden Struktur und anderen Verbindungsmitteln für die Flüssigkeitszufuhr, die elektrischen Signale sowie die mechanischen Verbindungen.
3a zeigt eine Draufsicht einer einzelnen Tropfenausstoßeinheit 110, während 3b eine zweite Draufsicht zeigt, in der die Abdeckung 28 der Flüssigkeitskammer mit der Düse 30 abgenommen ist.
Das in 3a gestrichelt dargestellte thermische Betätigungselement 20 ist in 3b in voll ausgezogenen Linien wiedergegeben. Der Auslegerabschnitt 20a des thermischen Betätigungselements 20 ragt vom Rand 14 der im Substrat 10 ausgebildeten Flüssigkeitskammer 12 vor. Der Abschnitt 20b des Betätigungselements ist fest mit dem Substrat 10 verbunden und bildet die Verankerung für den Ausleger.
Der Auslegerabschnitt 20a hat die Form eines Paddels, dessen lang gestreckter flacher Schaft in einer Scheibe 20c endet, deren Durchmesser größer ist als die Breite des Schafts. Diese Form ist nur ein Beispiel für mögliche Ausleger-Betätigungselemente; viele anderen Formen sind ebenfalls möglich. Durch die Paddel-Form wird die Düse 30 mit dem Mittelpunkt des freien Endes 20c des Betätigungselements ausgerichtet. Die Flüssigkeitskammer 12 weist bei 16 einen gewölbten Wandungsteil auf, der sich der Krümmung des freien Endes 20c des Betätigungselements anpasst, zu dieser aber einen Abstand aufweist, der Freiraum für die Bewegung des Betätigungselements schafft.
In 3b ist die Verbindung der Quelle 200 der elektrischen Impulse mit dem Heizelement 22 an den Anschlusspunkten 42 und 44 dargestellt. Zur Erwärmung über den U-förmigen Widerstand werden den Anschlusspunkten 42 und 44 Differenzspannungen zugeführt. Dies ist allgemein durch den einen Strom I repräsentierenden Pfeil angedeutet. In den Draufsichten der 3 bewegt sich das freie Ende 20c des Betätigungselements bei Impulsgabe auf den Betrachter zu, und von der Düse 30 in der Abdeckung 28 werden Tropfen in Richtung des Betrachters ausgestoßen. Diese Geometrie der Betätigung und des Tropfenausstoßes wird in zahlreichen Veröffentlichungen über Tintenstrahlsysteme als "roof shooter"-Vorrichtung bezeichnet.
4 zeigt eine Seitenansicht entlang der Schnittlinie A-A der Tintenstrahleinheit 110 in 3. In 4a ist das thermische Betätigungselement 20 im entspannten Ruhezustand dargestellt. In 4b ist das Betätigungselement als Reaktion auf eine thermische Erwärmung durch den Widerstand 22 gebogen. In 4e ist das Betätigungselement in der über die entspannte Position hinausgehenden Rückstellposition nach Beendigung des Aufheizvorgangs und nach dem schnellen Abkühlen dargestellt.
Bei einer praktisch eingesetzten Ausleger-Betätigungsvorrichtung gemäß der Darstellung kann der Ausleger in der statischen entspannten Position statt der in 4a dargestellten horizontalen Stellung auch eine gebogene Stellung einnehmen. Dabei kann die Betätigungsvorrichtung bei Raumtemperatur wegen der inneren Spannungen, die nach einer oder mehreren mikroelektronischen Bewegungs- oder Rückstellvorgängen zurückbleiben, aufwärts oder abwärts gebogen sein. Die Vorrichtung wird gegebenenfalls aus vielerlei Gründen, unter anderem wegen der thermischen Auslegung und der besonderen Tinteneigenschaften, auch bei höheren Temperaturen betrieben. In diesem Fall ist die Vorrichtung in ihrem statischen Zustand unter Umständen so stark gebogen, wie dies in 4b dargestellt ist. Und es kann sein, dass das Betätigungselement bei wiederholter Betätigung nicht völlig auskühlt und dadurch im entspannten Zustand aufwärts gebogen bleibt.
Im Sinne der folgenden Beschreibung wird davon ausgegangen, dass das Betätigungselement "entspannt" ist, wenn sich seine Stellung nicht mehr wesentlich ändert, d. h. wenn es einen statischen Zustand erreicht hat. Zum besseren Verständnis ist die statische Position in 4 und 5 horizontal dargestellt. Es sind aber auch thermische Betätigungsvorrichtungen bekannt und von den Erfindern ins Auge gefasst, die um einen gebogenen statischen Zustand herum bewegt werden, und diese liegen ebenfalls voll im Rahmen der Erfindung.
Das abgebildete Betätigungselement 20 besteht aus den Elementen 22, 24 und 26. Der Widerstand 22 besteht aus einem elektroresistiven Material mit einem relativ großen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Die Deckschicht ist elektrisch isolierend, gegenüber der Arbeitsflüssigkeit chemisch inert und weist einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten auf als das elektroresistive Material des Widerstands 22. Die Passivierungsschicht 26 besteht aus einer dünnen, gegenüber der Arbeitsflüssigkeit 60 inerten Materialschicht und dient dazu, den Heizwiderstand 22 gegen chemischen und elektrischen Kontakt mit der Arbeitsflüssigkeit 60 zu schützen.
Wird ein elektrischer Impuls an den Heizwiderstand 22 angelegt, steigt dessen Temperatur, und er dehnt sich in der Länge aus. Die Deckschicht 24 dehnt sich aber nicht im selben Maße aus, wodurch sich das mehrschichtige Betätigungselement 20 aufwärts biegt. Bei dieser Konstruktion wirken beim Biegeeffekt sowohl der Unterschied zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Elemente 22 und 24 als auch eine momentane Temperaturdifferenz zusammen. Der elektrische Impuls und der Biegeeffekt müssen schnell genug erfolgen, um Druck auf die in 4a allgemein mit 12c bezeichnete Flüssigkeit an der Düse 30 auszuüben. Normalerweise verwendet man hierzu eine elektrische Impulsdauer von unter 10 μsek., vorzugsweise eine Dauer unter 4 μsek.
Aufgrund des Temperaturausgleichs zwischen den Elementen 22 und 24 durch die Übertragung von Wärme an die Arbeitsflüssigkeit und das Substrat 10 und wegen der in den Elementen 22 und 24 aufgebauten mechanischen Rückstellkräfte entspannt sich das thermische Betätigungselement 20 dann wieder aus der in 4b dargestellten Position. Dabei kann das sich entspannende thermische Betätigungselement 20 über die statische Position hinausschießen und sich, wie in 4c dargestellt, abwärts biegen. Das Betätigungselement 20 kann auch in einer oszillierenden Bewegung weiter "schwingen", bis Dämpfungsmechanismen, etwa die innere Reibung und der Widerstand der Arbeitsflüssigkeit, die gesamte mechanische Energie aufgebraucht und in Wärme umgewandelt haben.
Eine alternative Ausbildung des thermomechanischen Betätigungselements ist in 5 dargestellt. Dabei ist eine Seitenansicht einer Tropfenausstoßvorrichtung mit thermischem Betätigungselement 90 mit sich vorwölbender Druckplatte in 5a im entspannten statischen Zustand und in 5b während des Ausstoßens eines Tropfens 50 dargestellt. Das dargestellte, sich vorwölbende Betätigungselement 90 besteht aus einer Schichtkonstruktion ähnlich dem in 1–4 dargestellten Ausleger-Betätigungselement 20. Die elektroresistive Schicht 95 wird durch elektrische Impulse aufgeheizt und dehnt sich dadurch stärker aus als die Grundschicht 92, die einen kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als die elektroresistive Schicht 95. Die unterschiedliche Ausdehnung zwischen den Schichten 95 und 92 veranlasst das Betäti gungselement, sich einwärts zu biegen oder zu wölben und dadurch Druck auf die Flüssigkeit 60 in der Kammer 12 auszuüben, so dass ein Tropfen 50 aus der Düse 94 ausgestoßen wird.
Die in 5 dargestellte Ausbildung des Betätigungselements mit sich wölbender Platte unterscheidet sich von dem Ausleger-Betätigungselement insofern, als sie mit allen Kanten befestigt ist und einen Teil der Wandung der Flüssigkeitskammer 12 der Tropfenausstoßvorrichtung bildet. Dabei kann das Betätigungselement mit sich wölbender Platte nach elektrothermischen Energieimpulsen auch gedämpfte Resonanzschwingungen der Schwingungstypen einer Platte aufweisen.
Thermomechanische Betätigungselemente wandeln Wärmeenergie durch Ausnutzung der unterschiedlichen Wärmeausdehnungswerte innerhalb der Struktur des Betätigungselements in eine mechanische Betätigung um. Die Unterschiede in der Wärmeausdehnung entstehen dadurch, dass in Teilen der Struktur unterschiedliche Temperaturen herrschen, dass Materialien mit stark unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten verwendet werden und durch Kombination dieser beiden Elemente. Außerdem werden bei der Konstruktion des Betätigungselements auch weitere Faktoren, wie Geometrie und Materialeigenschaften, etwa spezifische Wärme, Elastizitätsmodul und dergleichen, berücksichtigt.
Wenn bei einer DOD-Tropfenausstoßvorrichtung thermomechanische Betätigungselemente als elektromechanische Wandler eingesetzt werden, werden sie intermittierend betätigt, d. h. das thermische Betätigungselement wird in einem dem zeitlichen Muster des Tropfenbedarfs entsprechenden zeitlichen Muster gepulst. Bei einer Tintenstrahl-Tropfenausstoßvorrichtung zum Beispiel wird das Betätigungselement so gepulst, dass das Bildpixelmuster der von dem betätigten Strahl adressierten Abtastzeile entsteht. Dabei werden die Wärmeimpulse bei Textabbildungen in Stößen, bei mit Tinte stark bedeckten Bereichen in langen Ketten und bei Grauskalenbildern einzeln und zeitlich getrennt zugeführt. Der Wärmeverlauf und die jeweiligen Temperaturdifferenzen in Bereichen des thermischen Betätigungselements und der gesamten Tropfenausstoßvorrichtung können daher in der angestrebten Tropfenausstoßdauer T_C vergleichbaren Zeitperioden beträchtlich variieren.
Um DOD-Ausstoßvorrichtungen mit der höchstmöglichen Tropfenausstoßfrequenz betreiben zu können, bedarf es der Optimierung der sich aus dem hoch komplexen Wärmeimpulsmuster ergebenden thermischen Effekte. Insbesondere ist es für das Ausstoßen von Tropfen gleichmäßigen Volumens und gleichmäßiger Geschwindigkeit wichtig, das thermische Betätigungselement so zu betätigen, dass es angesichts der entstehenden komplexen Wärmeverläufe für jeden Tropfenausstoß einen äquivalenten Druckimpuls erzeugt.
Die Erfinder haben erkannt, dass durch Betrieb des thermischen Betätigungselements unter besonderer Beachtung des statischen Wärmeenergieflusses in das Betätigungselement, den Tropfen-Emitter und die gesamte Tropfenausstoßvorrichtung hinein ein gleichmäßiger DOD-Ausstoß mit stark verbesserten Frequenzen erreicht werden kann. Anders als bei bekannten thermischen Tintenstrahlsystemen, die über die Steuerung der Substrattemperatur der Vorrichtung gesteuert werden, ist eine Tropfenausstoßvorrichtung mit thermomechanischem Betätigungselement für Temperaturunterschiede innerhalb des Betätigungselements und der umgebenden Strukturen und Materialien empfindlich. Diese Temperaturunterschiede verändern sich im Laufe der Zeit aufgrund komplexer Wärmeflussmuster durch Materialien mit unterschiedlicher spezifischer Wärme, Wärmeleitfähigkeit, Dicke, Schnittstelleneigenschaften und dergleichen. Die verbleibende Position des thermischen Betätigungselements lässt sich aus Temperaturmessungen an einer anderen Stelle der Tropfenausstoßvorrichtung als dem Betätigungselement selbst nur schwer vorhersagen, insbesondere bei großen Anordnungen thermischer Betätigungselemente.
Es hat sich gezeigt, dass die Steuerung des Energieflusses, d. h. der Leistung, zu den thermomechanischen Betätigungselementen eine nützliche Wärmemanagementtechnik darstellt, die es ermöglicht, Tropfenausstoßvorrichtungen mit wesentlich höheren Frequenzen zu betreiben. Im Wesentlichen schafft diese Lösung in der Vorrichtung eine Temperatur- und Wärmeflussgrundlage, von der aus die einzelnen Tropfenausstoßvorgänge durchgeführt werden können. Die erfindungsgemäße Energieflusssteuerung kann auch zusammen mit anderen Wärmemanagementtechniken eingesetzt werden, die die Temperatur einer oder mehrerer Komponenten auf entsprechende Sollwerte einstellen.
6 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines thermischen Ausleger-Betätigungselements 20 der in 1–4 dargestellten Art. Das Maß, in dem sich das abgebildete Betätigungselement biegt, ist zum Teil abhängig von den Unterschieden zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten der drei Materialien, aus denen der Ausleger besteht, dem Widerstand 22, der Deckschicht 24 und der dünnen Passivierungsschicht 26. Außerdem hängt der Grad der Biegung ab von den sowohl in als auch zwischen den Schichten herrschenden Temperaturen.
Wenn der gesamte Auslegerabschnitt 20a des Betätigungselements, d. h. der Abschnitt, der sich vom Rand 14 der Kammerwandung aus in die mit Flüssigkeit gefüllte Kammer 12 hinein erstreckt, durchgehend dieselbe Temperatur aufweist, wird der Grad der Biegung bestimmt durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten und Geometriefaktoren. Bei der Abkühlung entspannt sich das thermische Betätigungselement, indem es Wärme in Form von Wärmeströmen Q_S an die umgebenden Strukturen und Materialien abgibt. In 6 sind verschiedene dieser Wärmeströme durch den mit Q_S bezeichneten Doppelpfeil angedeutet. Die Wärme fließt in die Flüssigkeit 60, über den Verankerungsbereich 20b des Betätigungselements in das Substrat 10, die elektrische Verbindungsstelle 46 und den Leiter 48 und in die Abdeckplatte 28 der Kammer und von diesen Strukturen weiter in andere Bereiche der Tropfenausstoßvorrichtung, der Druckkopfstruktur und in das Gerät.
In 7 ist die Entspannung eines thermischen Betätigungselements bei dessen Abkühlung durch den Wärmefluss dargestellt. Der Abbildung der Abkühlung des Betätigungselements wurde das bekannte Newtonsche Gesetz der exponentialen Abkühlung zugrunde gelegt. Es wurde davon ausgegangen, dass die Bewegung X(t) des Betätigungselements proportional zur Temperaturdifferenz über Umgebungstemperatur verläuft. Die Zeitachse ist in 7 in Einheiten der Tropfenausstoß-Wiederholperiode T_C aufgetragen, so dass T_C = 1/F_MAX ist, worin F_MAX die maximale Frequenz ist, bei der die Ausstoßvorrichtung im DOD-Betrieb betrieben werden soll. Die auftretenden zahlreichen Wärmeflussprozesse sind zu einer Netto-Zeitkonstante T_S zusammengefasst, die die Abkühlung des thermischen Betätigungselements gegenüber dem System beschreibt. Für das Verständnis der vorliegenden Erfindung ist diese Darstellung auf der Grundlage eines zusammengefassten Parameters ausreichend. Als Kurve dargestellt sind drei T_S-Werte, ausgedrückt in T_C-Einheiten, nämlich T_S = 5 T_C, 10 T_C und 20 T_C.
Aus 7 geht hervor, dass die Entspannungsprozesse des Betätigungselements in einer Zeitdauer von 5 T_S bis 6 T_S abgeschlossen sind bzw. dann ein praktischer Gleichgewichtszustand erreicht ist. Dabei wird hier davon ausgegangen, dass das thermomechanische Betätigungselement 20 einen statischen thermischen Zustand erreicht hat. Wenn zum Beispiel eine Flüssigkeits-Ausstoßvorrichtung mit einer maximalen Tropfen-Wiederholfrequenz von 20 KHz betrieben wird, ist T_C = 50 μsek. Wenn die Abkühlungs-Zeitkonstante des Systems 250 μsek. beträgt, gilt die Kurve für T_S = 5 T_C (Kurve 214). In diesem Beispiel würde das Betätigungselement den statischen thermischen Zustand nach einer Zeitdauer von ~30 T_C oder 1,5 msek. erreichen.
Da thermische Energie in die Struktur eines thermischen Betätigungselements lokal eingeleitet wird, ist ein gewisser Grad der anfänglich entstehenden Biegung auf eine wesentliche Temperaturdifferenz im Betätigungselement selbst zurückzuführen. Bei den in 1-6 dargestellten Ausführungsformen von Betätigungselementen ist zu erkennen, dass hier der Temperaturanstieg des Betätigungselements durch die elektroresistive Schicht 22 erfolgt. Dies ist auch die Schicht, die den höchsten Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist. Die unmittelbare Reaktion des mehrschichtigen Betätigungselements gemäß 6 beim Anlegen von Impulsen bewirkt, dass die elektroresistive Schicht 22 die höchste Temperatur aller Teile der Struktur erreicht, sich zu ihrer maximalen Länge ausdehnt und die maximale Biegung erreicht. Die Wärme fließt in die Deckschicht 24, wodurch sich die Temperatur der ausgedehnten Schicht 22 und auch die Temperaturdifferenz zwischen den Schichten verringert, was eine rasche Entspannung der Biegung bewirkt.
Der innere Wärmefluss Q_I des thermischen Betätigungselements ist in 6 durch entsprechend bezeichnete Pfeile dargestellt. Das innere thermische Gleichgewicht wird sehr viel schneller erreicht als der zuvor erwähnte statische thermische Zustand. In 8 ist ein schneller innerer Abkühlungsprozess dargestellt, wobei die innere Abkühl-Zeitkonstante T_I = 0,2 T_C, 0,5 T_C oder 1,0 T_C (Kurven 216, 218 bzw. 220) ist. Für die Abbildung der Temperatur wird das Newtonsche Gesetz der exponentialen Abkühlung zugrunde gelegt, und es wird davon ausgegangen, dass die Bewegung des Betätigungselements proportional zur Temperatur über Umgebungstemperatur verläuft. Um einen besseren Vergleich zu erhalten, wurde auch die Kurve für die Systemabkühlung bei T_S = 10 T_C (Kurve 212 in 7) aufgetragen. Es ist wichtig, dass dieser innere thermische Gleichgewichtsprozess schnell abläuft, da sonst die Deckschicht 24 den Wärmeabfluss aus der ausgedehnten Schicht 22 blockieren und die schnelle Entspannung verhindern würde, die aber nötig ist, um T_C zu verkürzen, d. h. die Tropfenwiederholfrequenz F_MAX zu erhöhen.
In 9 ist die Entspannung einer thermomechanischen Betätigungselement dargestellt, wobei sowohl ein von einer Abkühl-Zeitkonstante T_I abhängiges inneres thermisches Gleichgewicht als auch ein Abkühlprozess auf den statischen Zustand mit der Zeitkonstante T_S wirksam sind. Es sind drei Fälle, alle mit T_S = 10 T_C und mit T_I = 2 T_C, 0,5 T_C und 1,5 T_C (Kurven 226, 224 bzw. 222) abgebildet. 10 zeigt drei Fälle mit derselben Konstante für die innere Abkühlung, nämlich T_I = 0,2 T_C, und mit System-Abkühlzeitkonstanten T_S = 5 T_C, 10 T_C und 20 T_C (Kurven 232, 230 bzw. 228).
Die Bewegung X(t) des Betätigungselements tendiert in der Darstellung zu einem Wert im statischen Zustand von X(t_SS) = 0,15 statt 0. Auf der frei gewählten Skala der 9 und 10 beträgt die maximale Bewegung X(t = 0) = 1,0. Zur Illustration der Funktion der Erfindung ist in den Kurven eine statische Abweichung oder Biegung von 15% der maximalen Biegung dargestellt. Erfindungsgemäß wird, wie nachstehend beschrieben, eine mittlere Leistung P_AVE an das thermische Betätigungselement angelegt, die einen Temperaturanstieg des Betätigungselements im statischen Zustand über Umgebungstemperatur und eine statische Auslenkung bewirkt. Bei den Beispielen gemäß 9 und 10 werden durch dieses Anlegen einer mittleren Leistung 15 des Gesamtablenkpotentials des Betätigungselements verbraucht. Wie im Folgenden noch erläutert wird, wird ein Teil des Ablenkpotentials geopfert, um die komplexen Effekte des thermischen Verlaufs der DOD-Betätigung zu glätten.
Die Erfinder haben erkannt, dass eine thermomechanische Tropfenausstoßvorrichtung bei kontinuierlichem oder stetem Betrieb Tropfen gleichmäßiger Geschwindigkeit und gleichmäßigen Volumens mit sehr viel höheren Wiederholfrequenzen erzeugen kann als bei intermittierendem Betrieb. Bei einem Experiment mit gemäß den Darstellungen der 2-4 ausgebildeten thermisch betätigten Tropfenausstoßvorrichtungen wurde der intermittierende DOD-Betrieb bei Grund-Tropfenwiederholfrequenzen von 500 Hz unregelmäßig. Bei Ausstoß eines langen stetigen Tropfenstroms konnten dieselben Tropfenausstoßvorrichtungen jedoch mit 2 KHz erfolgreich betrieben werden. Ferner wurde entdeckt, dass für den erfolgreichen Betrieb mit hoher Frequenz die Aufrechterhaltung einer stetigen Zufuhr elektrischer Energieimpulse ausschlaggebend war, unabhängig davon, ob jeder Impuls die für den Tropfenausstoß erforderlichen Eigenschaften aufwies.
Die Erfindung beruht darauf, dass dem thermomechanischen Betätigungselement auf zweierlei unterschiedliche Art jeweils dieselbe Energiemenge je Tropfenausstoß-Periodendauer zugeführt wird: (1) Nominale Impulse, die einen Tropfenausstoß bewirken und (2) statische elektrische Impulse, die die richtige Leistung aufweisen, um einen statischen thermischen Zustand aufrecht zu erhalten.
Die Erfindung bestimmt eine erforderliche nominale Impulsenergie und nominale Impulsbreite, die zum Ausstoß von Tropfen mit im Wesentlichen gleichem und vorgegebenem Volumen und gleicher und vorgegebener Geschwindigkeit mit der gewünschten Wiederholperiode T_C = 1/F_MAX während einer langen Zeitdauer führt. Unter langer Zeitdauer ist zu verstehen, dass die Zeit für den beabsichtigten Anwendungszweck der Tropfenausstoßvorrichtung lang genug ist. Dies könnte zum Beispiel bei einem Tintenstrahldrucker mit Wagen die Zeit sein, die zum Drucken einer Bildseiten oder von zwanzig Bildseiten benötigt wird, oder bei einer Mikrodosiereinrichtung eine Zeit von wenigen Sekunden oder auch eine unbegrenzte Zeit.
Die nominale Impulsenergie E₀ und Impulsbreite T_P0 kann etwas von den Impulsparametern abweichen, die bei sehr geringen Wiederholfrequenzen dasselbe Tropfenvolumen und dieselben Tropfengeschwindigkeiten erzeugen. Denn durch den andauernden Betrieb entsteht in der Vorrichtung ein einzigartiges Wärmeprofil, das bei niedrigen Frequenzen nicht entsteht. Auch kann die untere Grenze für die Wiederholperiode T₀ durch Einschränkungen bei der thermischen Abkühlung oder gar durch Flüssigkeitsnachfüllprobleme gegeben sein. Aus 7–10 ist zu erkennen, dass der Versuch eines Betriebes mit geringeren T_C-Werten bedeutet, dass ein noch höherer Prozentsatz der Gesamtablenkung als statische Ablenkung akzeptiert werden muss. Die maximale Ablenkung wird letztlich begrenzt durch die maximale Temperatur, der das Gerät und die Flüssigkeit standhalten können. Ab einem bestimmten Punkt kann T_C nicht mehr ohne Schaden für die Tropfenausstoßvorrichtung oder die Arbeitsflüssigkeit verringert und die Verringerung durch Erhöhung der nominalen Impulsenergie und der statischen Ablenkung ausgeglichen werden.
Sobald ein zuverlässiger Betrieb hergestellt ist (E₀, T_P0), bei dem Tropfen des gewünschten Volumens und der gewünschten Geschwindigkeit zuverlässig mit der Wiederholperiode T_C ausgestoßen werden, ist auch die mittlere Leistung P_AVE im statischen Zustand – P_AVE = E₀/T_C – festgestellt. Gemäß der Erfindung wird nun diese mittlere Leistung P_AVE im statischen Zustand in jeder Zeitperiode T_C zugeführt. Während Zeiten, in denen die Tropfenausstoßvorrichtung nicht im Einsatz ist, braucht keine Leistung zugeführt zu werden. Grundsätzlich wird aber erfindungsgemäß die statische Leistung zugeführt, damit immer dann, wenn für die betreffende Anwendung der Ausstoß von Tropfen erforderlich ist, der statische thermische Zustand gegeben ist. Wenn bei einer Anwendung Zugeständnisse hinsichtlich der Gleichmäßigkeit des Tropfenvolumens und der Tropfengeschwindigkeit gemacht werden können, kann auch ein Tropfenausstoß während eines Teils der Zykluszeit zugelassen werden, in dem der statische Zustand erst aufgebaut wird (Einschaltphase) oder abfällt (Abschaltung).
In 11 sind verschiedene elektrische Impulse dargestellt, die für das Verständnis der Erfindung von Bedeutung sind. Als Kurve 234 ist ein Tropfenausstoß-Signal mit einer der maximalen Tropfenwiederholfrequenz entsprechenden Periode T_C dargestellt. Unmittelbar über dem Taktsignal ist ein nominales Impulssignal 236 mit einer Spannungs-Impulsdauer T_P0 = 0,3 T_C und einer nominalen Maximalspannung V₀ dargestellt. Das Anlegen eines solchen elektrischen Signals an das elektroresistive Element der thermomechanischen Betätigungsvorrichtung bewirkt den stetigen Ausstoß von Tropfen eines nominalen Volumens und einer nominalen Geschwindigkeit je Periode T_C.
Die Signale 238, 240 und 242 in 11 sind Beispiele statischer Impulse, die dem thermischen Betätigungselement jeweils dieselbe Leistung P_AVE = E₀/T₀ zuführen, aber nicht zum Ausstoß von Tropfen oder zum Verwischen von Flüssigkeit aus der Düse führen. Die statischen elektrischen Impulse bewirken keinen Tropfenausstoß und kein Verwischen von Flüssigkeit, weil die von ihnen bewirkte Bewegung des Betätigungselements nicht plötzlich genug erfolgt, um in der Flüssigkeitskammer Drücke zu erzeugen, die hoch genug sind, die Meniskusdrücke an der Düse zu überwinden. Es kann auch sein, dass der durch T_I (siehe 8) gekennzeichnete kurze innere Abkühlprozess effektiv die Spitzenablenkung reduziert, die durch dieselbe, aber in der kürzeren Zeitdauer des nominalen Impulses T_P0 angelegte Energie erreicht wird.
Bei thermischen Betätigungselementen der in 1–6 dargestellten Ausführungsform sollte zur Maximierung der thermomechanischen Wirksamkeit die nominale Impulsdauer T_P0 im Vergleich zur inneren Abkühlzeitkonstante T_I vorzugsweise kurz sein. Wenn das elektroresistive Element und die Quelle der elektrischen Signale die Energie schnell genug zuführen können, kann der Tropfenausstoß auch dadurch bewirkt werden, dass nur die für den Anstieg der Temperatur der elektroresistiven Schicht 22 erforderliche Wärme zugeführt und keine Energie für die Anhebung der Temperatur der Deckschicht 24 verschwendet wird. In diesem Fall wird die Zuführung derselben Energie durch einen längeren Impuls nicht annähernd dieselbe Ablenkung erzeugen, weil ein Teil der Wärme durch die spezifische Wärme der Deckschicht 24 verloren geht, wodurch die von der Schicht 22, d. h. dem sich effektiv ausdehnenden Teil des Betätigungselements, erreichte Spitzentemperatur sich verringert.
Um die thermischen Wirkungen eines nominalen Impulses so gut wie möglich abzubilden, kann man den statischen Impulsen gerade die Länge geben, die erforderlich ist um zu bewirken, dass die Ablenkung kein Verwischen von Flüssigkeit bewirkt. Dies kann zum Beispiel experimentell durch Beobachtung von mit einer gleich bleibenden Geschwindigkeit von F_MAX = 1/T_c und einer Energie E₀ je Impuls gepulsten Tropfenausstoßvorrichtungen und gleichzeitige Reduzierung der Impulsbreite bis zum Einsetzen des Verwischens bestimmt werden. Bei der Kurve 238 in 11, die ein Beispiel eines statischen elektrischen Impulses zeigt, beträgt die Impulsbreite T_Pss = 0,6 T_C und die Spannung V_Pss = 0,707 V₀. Die dadurch bewirkten thermischen Verlaufseffekte im thermischen Betätigungselement und in der Tropfenausstoßvorrichtung kommen einer Dauer-Impulsgabe mit nominalen Impulsen sehr nahe.
Wenn die Tropfenausstoßperiode T_C in derselben Größenordnung wie die innere Abkühlrate T_I liegt, d. h. wenn T_C < 5 T_I, ist es äußerst wichtig, dass der kleinste Wert der statischen Impulsdauer gewählt wird. Denn es können im Betätigungselement selbst zurück bleibende thermische Verlaufseffekte vorliegen, die vorzugsweise so weit wie möglich durch eine statische Impulsgabe aufrecht erhalten werden sollten. Eine Möglichkeit, den kleinsten Wert der statischen Impulsdauer T_Pss zu bestimmen, besteht darin, zunächst elektrische Impulse mit einer Energie E₀ und einer Periode von etwa T_C an das elektroresistive Element anzulegen und dann nach und nach die Impulsdauer zu verringern, bis ein Verwischen von Flüssigkeit an der Düse beobachtet wird. Dann wird der kleinste Wert T_Pss ein wenig größer gewählt, um auch unter Berücksichtigung anderer Variablen des Systems, die ebenfalls Einfluss auf das Verwischen haben könnten, einen zuverlässigen Betrieb aufrecht zu erhalten.
Die Bestimmung des kleinsten Wertes der statischen Impulsdauer sollte vorzugsweise über einen ausreichend langen Zeitraum erfolgen, um eine etwaige Unzuverlässigkeit aufgrund eines intermittierenden Verwischens von Flüssigkeit beobachten zu können. Bei der Wahl des kleinsten Wertes der statischen Impulsdauer müssen auch andere Systemvariablen, etwa Flüssigkeitseigenschaften, Temperatur, Feuchtigkeit, Verunreinigung der Düsenoberfläche, Druckschwankungen in der Flüssigkeitszufuhr, Drift und Abweichungen elektrischer Komponenten, mechanische Beschleunigungen, einschließlich Erschütterungen und dergleichen, berücksichtigt werden. Grundsätzlich ist der kleinste Wert der statischen Impulsdauer jener Wert, bei dem dem thermischen Betätigungselement eine Energie E₀ zugeführt wird, ohne dass Flüssigkeit aus der Düse austritt, während die Tropfenausstoßvorrichtung allen möglichen Abweichungen der relevanten Parameter des Systems ausgesetzt ist.
Die statische Impuls-Wellenform 240 in 11 besteht aus kurzen Teilimpulsen, die zusammen dieselbe Energie haben wie ein nominaler Impuls. Bei diesem Beispiel weisen die Teilimpulse eine maximale Spannung V₀ auf, die dem Maximum der nominalen Impulsspannung entspricht. Unter Gesichtspunkten der Systemauslegung kann es kostengünstiger sein, die statische Leistung nicht in Form einer Maximalspannung, sondern in Form einer Reihe kurzer Impulse zuzuführen, die von derselben Spannungsquelle stammen wie die nominalen Impulse. Die Reihe kleiner Impulse bewirkt keinen Tropfenausstoß, weil aufgrund der gestreckten Zeit für die Zufuhr der Gesamtenergie die zuvor besprochenen inneren Wärmeübemagungseffekte des Betätigungselements die Spitzenbeschleunigung und Ablenkung des Betätigungselements verringern können.
Bei einigen thermischen Betätigungssystemen ist die annähernd gleichstromartige Impuls-Wellenform der Kurve 242 akzeptabel, insbesondere wenn die gewählte Tropfenwiederholperiode T_c sehr viel länger ist als die etwaigen inneren thermischen Verlaufseffekte des Betätigungselements, d. h. wenn T_C > 5 T_I.
Thermische Ausleger-Betätigungselemente weisen bei Impulsgabe eine gedämpfte Resonanzschwingung mit einer Schwingungsdauer T_R auf. Wenn die gewählte Tropfenausstoßperiode T_C dieser Resonanzschwingungsperiode vergleichbar ist, sollte durch die Verwendung statischer Impulse für das Wärmemanagement die Resonanzschwingung nicht zu stark erregt werden. Diese Situation ist in 12 dargestellt. In 12 ist eine gedämpfte Resonanzschwingung 246 eines thermischen Ausleger-Betätigungselements mit einer Grundschwingungsdauer T_R dargestellt. Der gewählte Tropfenausstoßtakt 244 ist gleich dem doppelten Wert der Resonanzfrequenz T_C = 2 T_R. Um die mechanische Reaktion des Auslegers zu nutzen, wird für den wirksamen nominalen Impuls 248 eine Impulsdauer T_P0 < 1/4 T_R gewählt. In diesem Fall werden für die statischen Impulse 250 Impulsbreiten T_Pss > 1/2 T_R gewählt, um die Resonanzschwingung nicht übermäßig zu verstärken. Vorzugsweise sollte der statische Impuls länger sein als T_R.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine thermisch betätigte Tropfenausstoßvorrichtung dadurch betätigt, dass dem elektroresistiven Element während jeder Periode T_C eines Tropfenausstoßtaktes ein elektrischer Impuls zugeführt wird. Wenn nach den Daten der Anwendung ein Tropfen ausgestoßen werden soll, befiehlt eine Steuerung das Anlegen des nominalen elektrischen Impulses. Wird kein Tropfen benötigt, befiehlt die Steuerung das Anlegen eines statischen elektrischen Impulses.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die statischen elektrischen Impulse angelegt, wenn dies für die Herstellung oder Aufrechterhaltung des statischen Wärmezustands erforderlich ist. Im Betrieb dieser Ausführungsform wird eine für das Erreichen des statischen thermischen Zustandes erforderliche Zeit in Einheiten der Anzahl von Tropfenausstoßperioden N_SS bestimmt. Das heißt, die Zeit bis zum Erreichen des thermisch stabilen Zustandes ist gleich N_SS T_C. Hierzu können das Volumen und die Geschwindigkeit der ausgestoßenen Tropfen überwacht werden, indem eine wachsende Zahl statischer Impulse zugeführt wird. Alternativ kann eine wachsende Anzahl von Tropfen in Folge ausgestoßen und beobachtet werden, bis festgestellt ist, wie lang eine Folge N_SS sein muss, damit das nominale Tropfenvolumen zuverlässig erreicht wird. Oder man kann die tatsächliche Ablenkposition eines Betätigungselements beobachten, um festzustellen, wie viele Tropfen oder statische Impulse N_SS bis zum Erreichen des statischen thermischen Zustands nötig sind.
Für die Aufrechterhaltung des statischen thermischen Zustands sind keine statischen Impulse nötig, wenn während mindestens N_SS Taktperioden kein Tropfenausstoß erforderlich ist. Man kann daher einige Energie einsparen, indem man keine statischen Impulse anlegt, wenn eine längere Zeitspanne ohne Tropfenausstoß zu erwarten ist, zum Beispiel am Ende der Wagenbewegung eines Tintenstrahldruckers oder bei Vorliegen großer weißer Bildflächen. Umgekehrt kann, wenn die Ausstoßvorrichtung längere Zeit inaktiv war, eine Reihe statischer Impulse nötig sein, um vor Beginn der DOD-Tropfenausstoßfolge den statischen thermischen Zustand herzustellen.
In 13 sind einige der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung dargestellt. In dieser Darstellung sind 120 Taktperioden T_C eines Tropfenausstoßtaktes durch das Signal 225 auf der Zeitachse dargestellt. Dabei liegen in der Darstellung 30 Taktperioden vor Null und 90 nach Null. Bei diesem Beispiel wird angenommen, dass N_SS, d. h. die für die Herstellung des statischen Zustands erforderliche Anzahl von Perioden, gleich 30 ist. Die von einer Anwendung, zum Beispiel von Bilddaten für einen Tintenstrahldrucker, kommenden Tropfenausstoßbefehle werden von einer Steuerung zu einer Hauptbefehlsfolge 254 geordnet, deren Befehle besagen, dass während jeder Taktperiode T_C ein Tropfen ausgestoßen bzw. nicht ausgestoßen werden soll. Die Hauptbefehlsfolge 254 ist in 13 durch die über den einzelnen Taktperioden dargestellten gefüllten oder nicht gefüllten Punkte symbolisiert.
Bei Erreichen der einzelnen Taktperioden veranlasst die Steuerung eine elektrische Impulsquelle, für jede Periode, die als Tropfenausstoßperiode gekennzeichnet ist, einen nominalen Impuls 256a anzulegen. Diese nominalen Impulse sind in 13 in dem elektrischen Signal 256 zu erkennen, das an das elektroresistive Element der Tropfenausstoßvorrichtung angelegt sind.
Wenn die Hauptbefehlsfolge 254 eine tropfenfreie Periode vorsieht, wird ein statischer Impuls 256b angelegt, es sei denn, dass ein solcher für die Aufrechterhaltung oder Herstellung des statischen thermischen Zustandes nicht nötig ist. Die Steuerung prüft hierzu N_SS Perioden der Hauptbefehlsfolge im voraus daraufhin, ob Tropfenausstoßperioden vorliegen. In diesem Fall wird ein statischer Impuls angelegt. Andernfalls ist es möglich, zur Einsparung von Energie keinen Impuls anzulegen. In 13 liegt dieser Zustand in den Taktperioden 29 bis 35 und dann in den Taktperioden oberhalb der Periode 71 vor. Die Hauptbefehlsfolge endet bei 90, so dass die Steuerung nach dem Ausstoß eines Tropfens in der Periode 71 feststellt, dass die Ausstoßvorrichtung nicht nochmals aktiv zu werden braucht.
Das Anlegen von Impulsen während der Taktperioden, in denen diese für das Aufrechterhalten des statischen thermischen Zustandes nicht erforderlich sind, ist für die Zwecke der Erfindung freigestellt. Es kann aber durchaus andere im System liegende Gründe für das Anlegen von Impulsen während dieser Zeiten geben, zum Beispiel um die Tintentemperatur oder die Temperatur der gesamten Ausstoßvorrichtung aufrecht zu erhalten.
Die vor Null liegenden 30 Taktperioden ohne Tropfenausstoß dienen in 13 der Durchführung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Zu Beginn einer neuen Hauptbefehlsfolge fügt die Steuerung N_SS Taktperioden ohne Tropfenausstoß ein, wenn ihr durch einen Befehl mitgeteilt wird, dass ein Einschaltzustand vorliegt. Diese zusätzlichen Perioden ohne Tropfenausstoß dienen dazu, die Tropfenausstoßvorrichtung vor dem ersten Tropfenausstoßbefehl im Datenstrom der Anwendung in den statischen thermischen Zustand zu bringen. Im Beispiel gemäß 13, bei dem N_SS = 30 ist, stellt die Steuerung bei Nummer 9 eine Tropfenausstoßperiode fest und beginnt daher während der Einschaltperiode bei Nummer –20 mit dem Anlegen statischer Impulse.
Die Einschaltphase der elektrischen Impulsgabe könnte bei Bedarf auch kombiniert sein mit der Abgabe von Tropfen in eine Wartungsstation, wobei dann anstelle einzelner oder aller statischen Impulse nominale Impulse zugeführt werden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass vor der Abgabe nominaler Tropfen nach Bedarf zunächst der statische thermische Zustand hergestellt werden soll. Dies kann durch Anlegen entweder nominaler Impulse oder statischer Impulse erreicht werden, solange die während des Betriebes ausgestoßenen Tropfen einen akzeptablen Bestimmungsort entweder auf einem Empfangsmedium der Anwendung oder in einem entsprechenden Abfallbehälter haben.
Die Erfindung ist auch in anderen als den hierin dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen von Tropfenausstoßvorrichtungen einsetzbar. Zum Beispiel ist es möglich, die Flüssigkeitsausstoßvorrichtung in Verbindung mit anderen mikroelektronischen Vorrichtungen und Strukturen herzustellen. Insbesondere die erfindungsgemäß eingesetzte Steuerung und die elektronische Impulsquelle können mikroelektronisch mit Tropfenausstoßeinheiten und Anordnungen von Ausstoßeinheiten integriert werden.
Während ein großer Teil der vorstehenden Beschreibung sich auf einzelne Tropfenausstoßvorrichtungen richtet, versteht es sich, dass die Erfindung auch auf Anordnungen und Gruppen mehrerer Tropfenausstoßeinheiten anwendbar ist.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Emitters zum Ausstoßen von Flüssigkeitstropfen, wobei der Emitter eine Kammer mit einer Düse zum Ausstoßen einer die Kammer befüllenden Flüssigkeit aufweist, eine thermomechanische Betätigungsvorrichtung zum Ausüben von Druck auf die Flüssigkeit, eine mit elektrischen Impulsen betätigbare Heizvorrichtung, die der thermomechanischen Betätigungsvorrichtung zugeordnet ist, eine Quelle elektrischer Impulse und eine Steuervorrichtung zum Bestimmen der Parameter der elektrischen Impulse, gekennzeichnet durch die Schritte: a) Bestimmen eines nominalen elektrischen Impulses mit einer Energie E₀, worin der nominale elektrische Impuls den Ausstoß von Flüssigkeit bewirkt, wenn der Impuls an die Heizvorrichtung mit einer Periodendauer von T_C angelegt wird; b) Bestimmen eines statischen elektrischen Impulses mit einer Energie E₀, einer statischen Impulsdauer T_Pss, wobei der statische elektrische Impuls keinen Ausstoß oder kein Verwischen der Flüssigkeit aus der Düse bewirkt, wenn der Impuls an die Heizvorrichtung angelegt wird; und c) während jeder Zeitdauer T_C Anlegen eines nominalen elektrischen Impulses an die Heizvorrichtung zum Ausstoßen von Flüssigkeit, oder eines statischen elektrischen Impulses, um einen statischen thermischen Zustand aufrechtzuerhalten.
Verfahren nach Anspruch 1, worin der Emitter zum Ausstoßen von Flüssigkeit ein gesteuerter Tintenstrahldruckkopf und die Flüssigkeit eine Tinte zum Drucken von Bilddaten ist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die Heizvorrichtung ein elektroresistives Element aufweist.
Verfahren nach Anspruch 3, worin der statische elektrische Impuls aus Teilimpulsen besteht, von denen keiner den Ausstoß oder das Verwischen von Flüssigkeit bewirkt, wenn er an das elektroresistive Element angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die statische Impulsdauer T_Pss des Impulses im wesentlichen der Taktdauer T_C entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die thermomechanische Betätigungsvorrichtung eine Zeitkonstante T_I zum Erreichen eines internen thermischen Gleichgewichts hat, wobei T_C < 5 T_I ist, und wobei bei Verwendung eines kleinsten Wertes der statischen Periodendauer kein Ausstoß oder kein Verwischen der Flüssigkeit aus der Düse bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die thermomechanische Betätigungsvorrichtung als Ausleger ausgebildet ist, dessen freies Ende innerhalb der Kammer bewegbar ist und der eine gedämpfte Resonanzschwingung mit einer Grundschwingungsdauer T_R aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, worin der nominale elektrische Impuls eine Impulsdauer T_P0, T_P0 < ¼ T_R hat und die statische Impulsdauer T_Pss > ½ T_R beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die thermomechanische Betätigungsvorrichtung als ausgebeulte Platte ausgebildet ist, die mindestens einen Abschnitt einer Wand der Kammer bildet.
Emitter zum Ausstoßen von Flüssigkeitstropfen, mit einer mit einer Flüssigkeit befüllten Kammer, die eine Düse zum Ausstoßen von Flüssigkeitstropfen aufweist; einer thermomechanischen Betätigungsvorrichtung zum Ausüben von Druck auf die Flüssigkeit in der Düse; einer Heizvorrichtung, die der thermomechanischen Betätigungsvorrichtung zugeordnet ist und auf elektrische Impulse reagiert; und einer Quelle elektrischer Impulse, gekennzeichnet durch eine Steuervorrichtung, die Parameter der elektrischen Impulse gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 bestimmt.