DE69214359T2

DE69214359T2 - Tintenstrahlkopf geringer Empfindlichkeit gegenüber gerichteter Diffusion und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE69214359T2
Application number: DE69214359T
Authority: DE
Inventors: Hue Phuoc Le; J Kirk Mcglothlan; John S Moore
Original assignee: Tektronix Inc
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1991-06-14
Filing date: 1992-06-12
Publication date: 1997-05-28
Anticipated expiration: 2012-06-13
Also published as: EP0518700A3; JPH0615822A; JP2717479B2; DE69214359D1; EP0518700A2; EP0518700B1; US5406318A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Tintenstrahldruckköpfe, die weniger anfällig für Druckqualitätsverschlechterungen aufgrund von gerichteter Diffusion sind, einem ungewünschten Phänomen, das auftritt, wenn wiederholt Druckimpulse auf in Druckkammern von Tintenstrahldruckköpfen befindliche Tinte ausgeübt werden. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Tintenstrahldruckköpfe, bei denen nur Druckkopfoberflächen, die die Tinte berühren, um Druckimpulse aufzubringen, behandelt sind, um ihre Oberflächendefekt-Dichte zu reduzieren.

Hintergrund der Erfindung

Tintenstrahldrucker, insbesondere Tropfen-Auf-Abruf (DOD) oder Impulsdrucker mit Tintenstrahldruckköpfen mit akustischen Treibern zur Bildung von Tintentropfen sind Stand der Technik. Z. B. sind Tintenstrahldruckkopfausbildungen, bei denen die Tinte von dem Druckkopf senkrecht zur Ebene einer oder mehrerer Tintendruckkammern ausgestoßen wird, im US-Patent Nr.4,266,232 für Juliana, Jr. et al., US-Patent Nr.4,312,010 für Doring, US-Patent Nr.3,747,120 für Stemme) US-Patet 4,599,628 für Doring et al., US-Patent Nr. 4,680,595 für Cruz-Uribe et al. und US-Patent Nr. 4,460,906 für Kanayama offenbart. Druckkopfausbildungen, die Tinte parallel zur Ebene einer oder mehrerer Tintendruckkammem ausstoßen, sind z. B. aus den Patenten US 4,216,477 für Matsuda et al.) US 4,525,728 für Koto, US 4,584,590 für Fishbeck et al., US 4,435,721 für Tsuzuki, US 4,528,575 für Matsuda, US 4,521,788 für Kamura und D.E. 34 27 850 für Yamamuro bekannt.
Das dem erfolgreichen Betrieb eines derartigen Tintenstrahldruckkopfes zugrundeliegende Prinzip ist die Manipulation des Drucks in einer Tintendruckkammer, um einen kontrollierten Ausstoß von Tintentropfen aus der Kammer durch eine Düsenöffnung oder eine Tintentropfen-Ausstoßöffnung zu erreichen. Im allgemeinen wird ein DOD-Tintenstrahldruckkopf mit einer Tintendruckkammer, die mit einer Tintenquelle gekoppelt ist und eine in einer Tintentropfen-Ausstoßmündung mündende Tintentropfen-Ausstoßöffnung enthält, wie nachstehend angegeben betrieben. Ein akustischer Treiber expandiert und kontraktiert das Volumen der Tintendruckkammer, um einen Tintentropfen aus der Mündungsöffnung auszustoßen. Genauer gesagt bringt der akustische Treiber eine Druckwelle auf die in der Tintendruckkammer befindliche Tinte auf, um diese kontrolliert nach außen durch die Öffnung und durch den Mündungsauslaß auszubringen.
Der Stand der Technik verwendet eine Reihe unterschiedlicher akustischer Treiber, um eine Druckwelle in DOD-Tintenstrahldruckköpfen zu erzeugen. Hierfür wurden z.B. Treiber mit einem durch Verbinden eines piezoelektrischen keramischen Materials mit einer dünnen Membran entstandenen Druckübertrager verwendet. Durch angelegte Spannung verformt sich das piezoelektrische keramische Material und bringt die Membran zur Auslenkung und dazu, Tinte in der Tintendruckkammer zu verdrängen, was einen Druckimpuls bzw. eine Impulsreihe und schließlich dem Ausfließen von Tinte durch eine oder mehrere Düsen zur Folge hat.
Herkömmliche piezoelektrische Keramiktreiber gibt es in verschiedenen Formen, wie z. B. zirkular, polygonal, zylindrisch und ringförmig-zylindrisch. Außerdem werden herkömmliche piezoelektrische Keramiktreiber durch unterschiedlichen Ablenkmoden betrieben, wie z. B. Biegemodus, Schermodus und Londitudinalmodus. Andere bekannte akustische Treiber zur Erzeugung von Druckwellen in der Tinte sind z.B. Hitzeblasen-Quelltreiber (für Blasen- oder thermische Tintenstrahldruckköpfe) und elektomagnetische Treiber. Im allgemeinen ist es erwünscht, bei einem Tintenstrahldruckkopf eine Form zu verwenden, die es ermöglicht, eine Vielzahl von Düsen dichtgepackt anzuordnen, wobei jede Düse durch einen zugeordneten akustischen Treiber angetrieben wird.
Bei bekannten Tintenstrahldruckköpfen wurden Probleme mit einer Verschlechterung der Druckqualität aufgrund gerichteter Diffusion festgestellt. Gerichtete Diffusion tritt nach einer Phase ständigen Tintenstrahldruckkopfbetriebs als Folge der wiederholten Aufbringung von Druckimpulsen bei geringem Umgebungsdruck auf die in der Tintendruckkammer vorhandene Tinte auf. Die Grenze, bei der die gerichtete Diffusion auftritt, hängt von einer Reihe von Faktoren ab, wie z.B. von der Form der Antriebsimpulse und deren Dauer, den absorbierten Gaskonzentrationen, der Temperatur, der Partikel (z. B. in der Tinte vorhandene Pigmentpartikel) und der Rauhheit der Treiberoberfläche. Die Zeitdauer, bis die Druckqualitätsverschlechterung auftritt, ist von der Tropfenbildungsrate abhängig und, vor der Aufnahme des wiederholten Tintenstrahldruckbetriebes, von der Menge der in der Tinte gelösten Luft, vom Vorhandensein von Partikeln in der Tinte, der Tintenviskosität, der Tintendichte, der Luftdiffusität in der Tinte und, sofern vorhanden, den Radien der in der Tinte befindlichen Luftblasen.
Wie angegeben sind Tintenstrahdruckkopfanordnungen, die mit dem Verformen piezoelektrischer keramischer Materialien bzw. Ablenkung von Membranen arbeiten, gekennzeichnet durch Kontraktionen und Expansionen des Tintendruckkammervolumens, wodurch Druckimpulse in der in der Kammer befindlichen Tinte erzeugt werden. Die Kontraktionen treten schnell auf und direkt vor oder nach ihnen erfolgen schnelle Expansionen des Tintendruckkammervolumens. Während der Expansionsphase ist der Druck in der Tintendruckkammer beträchtlich reduziert, wodurch die Neigung zur Blasenbildung an der Kammeroberfläche durch in der Tinte gelöste Luft erhöht wird. Die Neigung zur Blasenbildung ist an den Keimstellen der Tintendruckkammeroberfläche, wo Gase zurückgehalten werden, am höchsten. Keimstellen können z.B. Ecken, Kanten, Punkte, Brüche, Spitzen oder Fremdpartikelablagerungen sein.
Bei die bedingungsabhängige Grenze der gerichteten Diffusion überschreitender Tinte bilden sich durch Aufbringen von Druckimpulsen Luftblasen bzw. die in der Tinte befindlichen Luftblasen wachsen anstelle einer Oszillation der Luftblasengröße um einen Mittelwert. Insbesondere wird während des negativen Drucks (unter Umgebungsdruck) mehr Gas zu den Luftblasen hinzugefügt als während der positiven Druckaufbringung (oberhalb Umgebungsdruck) in die umgebende Flüssigkeit reabsorbiert wird. Wenn die die Luftblasenbildung begünstigenden Bedingungen andauern, bilden sich große Luftblasen in der in der Tintendruckkammer enthaltenen Tinte.
Gasblasen in der Tinte absorbieren die der Tinte in der Tintendruckkammer zugeführte Energie. Während die Gasblasen wachsen, absorbieren sie mehr von der durch die akustischen Treiber zugeführten Energie. Wenn die Blasen eine ausreichende Größe erreichen, absorbieren sie soviel Energie, daß die Tintentropfen aus den Düsen im Tintenstrahldruckkopf nicht mehr mit ausreichenden Geschwindigkeiten oder Volumina durch Betätigung des akustischen Treibers ausgestoßen werden können. Wenn die bedingungabhängige Grenze der gerichteten Diffusion für eine Zeitdauer überschritten wird, die größer ist als die für das Auftreten der Druckqualitätsverschlechterung erforderliche, was selbst ein bedingungsabhängiger Parameter ist, leiden die durch den Tintenstrahldruckkopf erzeugten Drucke unter ungenauem Tintentropfenausstoß.
Die gerichtete Diffusion ist ein bekanntes Problem beim Tintenstrahldrucken. Daher wurden verschiedene Ansätze versucht, um das Problem zu mildern oder zu umgehen. Z.B. diskutiert das US-Patent 4,947,184 für Moynihan das Beschichten der gesamten Druckkammer eines Tintenstrahldruckkopfes mit einer glatten einschließenden Beschichtung aus einem Material, das durch die darin enthaltene Tinte benetzbar ist. Bevorzugt wird eine Beschichtung mit einer Oberflächenspannung, die größer als die der Tinte ist, um das Benetzen zu unterstützen. Die glatte Beschichtungslage wird aufgebracht, um die an den Druckkammeroberflächen vorhandenen Keimstellen auszufüllen bzw. anders ihre Zahl zu verringern. Dieses bekannte Beschichtungsverfahren wird nach dem Zusammensetzen des Tintenstrahldruckkopfes ausgeführt, wodurch möglicherweise Verschmutzungen in den Strahl eingeführt werden, was zum Verschließen der kleinen Durchlässe des Strahls führen kann oder dazu, daß ein Teil der akustischen Energie durch das Hinzufügen eines solchen energieabsorbierenden Materials auf die Druckkammeroberflächen absorbiert wird.
Auf dem Fünften Internationalen Kongress für Fortschritte bei nichtschlagenden Drucktechnologien im November 1989 beschrieb Spectra Inc. ein Entlüftungsverfahren für einen DOD-Tintenstrahldrucker. Bei dieser Technik wird die Konzentration des in der Tinte gelösten Gases - ein Faktor bei der Bestimmung der gerichteten Diffusion und der Eintrittszeit für die Verschlechterung - verringert. Die Reduzierung des gelösten Gases sollte das Problem der gerichteten Diffusion verringern.
Wie aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert wird, gibt die vorliegende Erfindung Tintenstrahldruckköpfe an, die mit verlängerter Zeitdauer drucken können, wobei keine oder nur geringe Druckqualitätsverschlechterung durch gerichtete Diffusion auftritt. Die Tintenstrahldruckköpfe der vorliegenden Erfindung können sogar zusammen mit gasgesättigten Tinten verwendet werden. Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt diese Druckqualitätsverbesserung über einen weiten Bereich von Tropfenwiederholraten. Es ist natürlich von Vorteil, daß die vorliegende Erfindung auch Verfahren zum Herstellen von Tintenstrahldruckköpfen angibt, die in der Lage sind, mit verringerter Tintenqualitätsverschlechterung aufgrund gerichteter Diffusion zu drucken.
Erfindungsgemäß ist im weitesten Sinne ein Tinte-auf-Abruf-Druckkopf (9) vorgesehen, der eine Reihe von Tintendüsen (14) zur Aufnahme von Tinte aus einer Tintenzufuhr (11) und zum Ausstoßen der Tinte auf ein Druckmedium sowie eine Vielzahl von Antriebsteilen (33) enthält, die jeweils eine Tinte kontaktierende druckerzeugende Treiberoberfläche (34b) haben, die dadurch gekennzeichnet sind, daß wenigstens einige von ihnen polierte Treiberoberflächen sind, die eine reduzierte Oberflächendefektdichte relativ zu den Oberflächen im ungeglätteten Zustand enthalten, wodurch der Druckkopf (9) einen verlängerten Betrieb ermöglicht, der im wesentlichen frei von Druckqualitätsverschlechterung aufgrund gerichteter Diffusion ist.
Für Tintenstrahldrucker bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsformen enthalten eine verbesserte Treiberkomponente mit einer elektropolierten Tintenkontaktoberfläche. Ähnlich wie bekannte akustische Treiberausbildungen weist ein erfindungsgemäß bevorzugter Treiber einen piezoelektrischen Keramikteil und eine Membran auf. Im Gegensatz zu herkömmlichen Ausbildungen ist die Oberfläche der Membran oder eines anderen dem Treiber zugeordneten Komponententeils, die die Tinte zum Aufbringen von Druck kontaktiert, in bevorzugten Ausführungsformen elektrolytisch poliert. Die elektrolytisch polierte Oberfläche der bevorzugten Membran ist gegenüber der Oberfläche angeordnet, die dem piezoelektrischen Keramikteil benachbart ist und eine Wand einer Tintendruckkammer bildet.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung werden daher durch den einfachen Vorgang des Polierens (z.B. elektrolytisches Polieren) einer Oberfläche einer Komponente des Tintenstrahldruckkopfes erreicht, was vor dem Zusammensetzen des Tintenstrahldruckkopfes durchgeführt wird. So wird kein Schmutz in den Druckkopf eingeführt und die kleinen Querschnitte der Tintendurchlässe verstopfen nicht. Ferner werden keine akustische Energie absorbierenden Materialien den Druckkammeroberflächen während des elektrolytischen Polierens oder einer anderen Form des Polierens zugeführt. Das elektrolytische Polieren (oder anderes Polieren) reduziert die Konzentration der druckaufbringenden, die Tinte kontaktierenden Oberflächendefekte, wodurch die Anzahl der Keimstellen, an denen sich Gasblasen bilden können, verringert wird. Diese Reduktion der Oberflächendefektdichte verringert die Druckqualitätsverschlechterung aufgrund gerichteter Diffusion berächtlich. Darüber hinaus reicht das elektrolytische Polieren von nur 1 - 2 Mikrometer der Membran oder einer anderen druckaufbringenden tintekontaktierenden Oberfläche aus, um eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu erhalten) die einen zuverlässigen Betrieb über Tausende von Kopien ermöglicht.
Die vorliegende Erfindung gibt auch einen durch ein verbessertes elektrolytisches Polierverfahren erzeugten elektrolytisch polierten Tintenstrahldruckkopf an, der nachfolgend in bezug auf die Zeichnungen näher erläutert wird. Durch das dort beschriebene Elektropolieren unter Verwendung eines Elektrolysebades wird eine gleichmäßiger polierte Oberfläche bei Anwendung geringerer Stromdichten erhalten.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels in Hinblick auf bevorzugte Ausführungsformen näher beschrieben, wobei Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen wird. Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Perspektivansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Tintenstrahldruckkopfes, bei dem ein Printmedium in Abstand dazu angeordnet ist,
Fig. 2 eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform einer akustischen Treiberkomponente eines erfindungsgemäßen Tintenstrahldruckkopfes, ausgerichtet wie in Fig. 1,
Fig. 3 eine schematische Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Tintenstrahldruckkopfes,
Fig. 4 eine Explosions-Perspektivansicht der verschiedenen Ebenen einer Tintenstrahldruckkopf-Anordnung gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform mit 96 Düsen in einem Array,
Fig. 5 - 13 Aufsichten auf verschiedene Ebenen, die einen Array- Tintenstrahldruckkopf nach Fig. 4 bilden, wobei die Komponenten mit dem 2,5-fachen der tatsächlichen Größe gezeigt sind;
Fig. 14 ein Treibersignal, das für einen akustischen Treiber eines erfindungsgemäßen Tintenstrahldruckkopfes geeignet ist,
Fig. 15 ein bevorzugtes Antriebssignal, das für einen akustischen Treiber eines erfindungsgemäßen Tintenstrahldruckkopfes geeignet ist; und
Fig. 16 eine schematische Ansicht sich überlagernder Tintendruckkammern, Tinteneinlaß- und -auslaßwege und Nebenkanäle eines Tintenstrahldruckkopfes, wobei der bevorzugte Querabstand von Einlaß- und Auslaßöffnungen dargestellt ist sowie die Ausrichtung der Düsen im Hinblick auf die Tintendruckkammern.
Bezugnehmend auf Fig. 1 enthält ein DOD-Tintenstrahldruckkopf 9 eine interne Tintendruckkammer (Fig. 3), die gekoppelt ist oder in Verbindung steht mit einer Tintenquelle 11. Der Tintenstrahldruckkopf 9 enthält eine oder mehrere Tintentropfenausstoß-Auslaßöffnungen bzw. Düsen 14, von denen die Düsen/Auslässe 14a, 14b und 14c gezeigt sind, und wobei jede Düse/jeder Auslaß 14 durch eine Tintentropfen-Ausstoßmündung (Fig. 3) gekoppelt ist bzw. in Verbindung steht mit der Tintendruckkammer. Die Tinte läuft während der Tintentropfenbildung durch die Düse/den Auslaß 14. Die Tintentropfen bewegen sich von den Düsen/Auslässen 14 zum Printmedium 13, welches mit Abstand zu den Düsen/Auslässen 14 angeordnet ist. Ein typischer Tintenstrahldrucker enthält eine Vielzahl von Tintendruckkammern, die jeweils mit einer oder mehreren Düsen/Auslässen 14 gekoppelt sind.
Eine akustische Treiberanordnung 33 wird zur Erzeugung einer Druckwelle oder eines Impulses verwendet, die auf die Tinte in der Tintendruckkammer aufgebracht werden, damit die Tinte durch eine zugeordnete Düse/Auslaß 14 nach außen läuft. Der akustische Treiber 33 arbeitet aufgrund von Signalen einer Signalquelle 37, um Druckwellen auf die Tinte aufzubringen.
Fig. 2 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Treiberanordnung 33, die einen piezoelektrischen keramischen Bereich 36 und eine einzelne Membran 34 enthält. Die Membran 34 ist zu ihrem Betrieb entlang einer Oberfläche 34a mit der piezoelektrischen Keramik 36 verbunden und kontaktiert die in der Tintendruckkammer (Fig. 3) enthaltene Tinte entlang einer Oberfläche 34b. Die Oberfläche 34b ist elektrolytisch poliert, um eine verbesserte Treiberanordnung 33 zu bilden, die in den erfindungsgemäßen Tintenstrahldruckköpfen enthalten ist. Obwohl die benachbarten Oberflächenbereiche der piezoelektrischen Keramik 36 und der Membran 34 in Fig. 2 gleich dargestellt sind, muß dies nicht der Fall sein. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, können in einer Membranplatte 60 eine Vielzahl einzelner Membranen 34 ausgebildet sein. In einer solchen Anordnung ist jede piezoelektrische Keramik 36 über einer Tintendruckkammer 22 zentriert, und der die in der Druckkammer 22 enthaltene die Tinte kontaktierende Bereich der Membranplatte 60 ist erfindungsgemäß elektrolytisch poliert.
Die piezoelektrischen Keramikbereiche 36 können jede beliebige Zusammenstellung bzw. Aufbau haben, die bzw. der sich durch das Anlegen einer Spannungsquelle 37 verformen kann. Ferner ist jede piezoelektrische Keramik 36 betriebsmäßig mit jedem Membranbereich 34 der Membranplatte 60 verbunden, so daß die Membranen 34 ablenken, wenn die piezoelektrischen Keramiken 36 sich verformen. Ein Verfahren zum Erhalt einer betriebsmäßigen Verbindung einer piezoelektrischen Keramik 36/Membran 34 ist das Aufbringen eines Epoxyharzes an Stellen entlang der Verbindungsebene zwischen der piezoelektrischen Keramik 36 und der Membranoberfläche 34a. Z.B. wird Epoxyharz auf die piezoelektrische Keramik oder die Membran aufgebracht und dann zu einer gleichmäßigen Dicke verstrichen. Genauer gesagt wird ein Schaber mit Epoxyharz in gleichmäßiger Höhe über die Oberfläche geführt. Durch den Kontakt des Schabers mit dem Epoxyharz wird dieses in gleichmäßiger Dicke verteilt. Andere herkömmliche Befestigungsmittel und -techniken können alternativ zu diesem Zweck verwendet werden.
Viele Formen piezoelektrischer Keramikbereiche können verwendet werden, z.B. zirkulare, rechtwinklige, hexagonale oder andere polygonale Formen im wesentlichen gleichen Durchmessers und ähnliches. Zusätzlich kann jeder piezoelektrische Keramikbereich, der für die vorliegende Erfindung verwendet wird, in verschiedenen Ablenkmoden betrieben werden, wie z.B. im Biege- oder Längsmodus. Hexagonale und zirkulare piezoelektrische Keramiken werden bevorzugt im Biegemodus verwendet, wobei die hexagonale Form vorgezogen wird. Piezoelektrische Keramiken entsprechen vorzugsweise der Form der im wesentlichen zirkularen oder hexagonalen Tintendruckkammern 22. Eine leichte Erhöhung der Treiberspannung ist erforderlich, wenn hexagonale Komponenten verwendet werden. Geeignete piezzoelektrische Keramiken können daher aus einer großen Tafel eines Materials ausgeschnitten werden, z.B. unter Verwendung einer Kreissäge. Der Innendurchmesser hexagonaler piezoelektrischer Keramiken ist typischerweise mehrere Tausendstel Inch kleiner als der Durchmesser der zugeordneten Druckkammer, während der Außendurchmesser solcher Keramiken mehrere Tausendstel Inch größer ist. Ein typischer Durchmesser ist etwa 110 mils. Piezoelektrische Keramiken sind typisch nicht dicker als 10 mils, können jedoch auch dicker oder dünner sein, wobei etwa 6 - 10 mils bevorzugt sind.
Piezoelektrische Keramikbereiche, die für die vorliegende Erfindung nützlich sind, sind bekannt und kommerziell erhältlich. Piezoelektrische Keramiken, die eine große Ablenkung auf eine kleine elektrische Anregung ergeben, d.h. einen hohen d&sub3;&sub1;-Koeffizienten haben, sind bevorzugt. Piezoelektrische Keramiken werden typischerweise blattweise erworben und z.B. unter Verwendung einer Kerfing-Säge in die gewünschte Form geschnitten. Z.B. ist eine piezzoelektrische Keramik N21 von Tokin, Japan, verfügbar, die zum Betrieb der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Für den Fachmann liegt es im Rahmen des Könnens, ein geeignetes piezzoelektrisches Keramikteil zu entwickeln oder auszuwählen.
Die Membranen 34 können jede Zusammensetzung und Konstruktion aufweisen, die mit den piezoelektrischen Keramiken 36 verbunden und aufgrund deren Verformung abgelenkt werden können. Ferner sind Membranen so gebildet, daß sie elektrolytisch poliert werden können, wodurch die Oberflächendefektdichte verringert wird. Membranen können einen größeren Oberflächenbereich als die mit ihnen verbundene piezoelektrische Keramik aufweisen und/oder als der Oberflächenbereich der Tintendruckkammer 22, deren eine Wand sie bilden. Z.B. weist eine Vielzahl von Membranen 34 im wesentlichen die gleiche Form und Oberfläche auf, da die zugeordneten piezzoelektrischen Keramiken als Membranplatten 60 ausgebildet sein können. Wenn dies der Fall ist, werden nur diejenigen Bereiche der Membranplatte 60 elektrolytisch poliert, die mit der in den erfindungsgemäßen Tintendruckkammern befindlichen Tinte in Kontakt stehen. Der typische Membrandurchmesser ist daher etwa 110 mils.
Vorzugsweise bestehen die Membranen aus Edelstahl es können aber auch wenn andere Materialien, die die vorstehenden Kriterien erfüllen, verwendet werden, z.B. Nickel, Kupfer, Aluminium u.ä. Stärker bevorzugt sind Edelstahl- Membranen, die selektiv mit einem Hartlotmaterial wie z.B. Gold plattiert sind. Zum Betrieb der vorliegenden Erfindung verwendbare Membranen können ca. 1- 10 mils dick sein, wobei ca. 2,5 - 5 mils bevorzugt sind. Z.B. kann eine Membran aus einer ca. 4 mils dicken Edelstahlfolie gebildet sein, wobei jeder individuelle Membranbereich eine Oberfläche von 2,8" x 1,3" aufweist und (auf der Oberfläche 34b, die die Tinte berührt) mit etwa 8 Mikroinch Gold plattiert sein. Das Gold wird vor dem elektrolytischen Polieren an den Tintendruckkammer- Flächen abgeätzt. Das elektrolytische Polieren des Membranoberflächebereichs 34b, der die Tinte während des Betriebs des erfindungsgemäßen Tintenstrahldruckkopfes kontaktiert, wird bis zu einem Bereich von etwas 1 - 6 Mikron, vorzugsweise 2 Mikron, ausgeführt.
Die Membranmaterialien, die gemäß der vorliegenden Erfindung elektrolytisch poliert werden können, sind bekannt und kommerziell erhältlich. Membranmaterial wird typischerweise in Folien gekauft und vorzugsweise photochemisch bearbeitet oder zu den gewünschten Formen abgedeckt. Wenn die bevorzugte photochemische Bearbeitung angewandt wird, wird diese vor der Goldplattierung und dem elektrolytischen Polieren durchgeführt. Dagegen werden die Goldplattierung und das elektrolytische Polieren vor dem Abdecken durchgeführt. So wird die Handhabung der einzelnen Teile minimiert. Z.B. können kommerziell erhältliche, 4 mils dicke, 12" x 24" große Edelstahlblätter verwendet werden, um die erfindungsgemäßen Membranen herzustellen. Ein Fachmann könnte ebenso gut eine geeignete Membranstruktur entwickeln oder herstellen.
Das photochemische Bearbeiten, Goldplattieren, Goldätzen und das elektrolytische Polieren sowie die Photoresist-Aufbringung und das Entfernen bei der Verarbeitung der Membranen können mit Hilfe üblicher Techniken hierfür durchgeführt werden. Im allgemeinen wird ein Membranblatt wie folgt bearbeitet, um einen Bestandteil zu bilden, der bei der Zusammensetzung eines Tintenstrahldruckkopfes eingesetzt wird. Nach dem photochemischen Bearbeiten und Goldplattieren wird eine Photoresistschicht auf die goldplattierte Edelstahlmembranfolie aufgebracht und entwickelt, so daß nur der Bereich/die Bereiche der Oberfläche 34b der Membranfolie entwickelt werden, die nach dem Zusammesetzen die Tinte kontaktieren. Auf der Oberfläche 34a wird die gesamte Oberfläche, auf die die piezoelektrische Keramik aufgebracht wird, entwickelt. Die Goldplattierung wird an diesen ungeschützten Stellen der Membranoberfläche 34a und 34b abgeätzt. Das elektrolytische Polieren der entwickelten Edelstahlbereiche der Membranfolienoberfläche 34b wird vorzugsweise nach dem nachstehend angegebenen Verfahren durchgeführt. Die Photoresistschicht wird entfernt, die Folie wird in 1,3" x 3,8"-Membranschichten 60 geschnitten, diese Schichten werden gesäubert und der Tintenstrahldruckkopf 9 der vorliegenden Erfindung wird zusammengesetzt, vorzugsweise wie nachstehend beschrieben.
Ein beispielhaftes elektrolytisches Elektropolierverfahren zur Verwendung für die vorliegende Erfindung verwendet eine herkömmliche elektrolytische Poliereinrichtung, die sowohl Befestigungen als auch Energieversorgung (z.B. Pulsermodell Nr.100204, erhältlich von Pulsco Inc., Andover, MA) umfaßt. Dieses Verfahren wird wie folgt durchgeführt. 2,67 g Fluorad FC 95, das von Minnesota Mining und Manufacturing Co., Minneapolis, Minnesota, erhältlich ist, wird mit 400 ml einer konzentrierten, als Reagens geeigneten Phosphorsäure in einer Polypropylenflasche gemischt. Diese Fluorad-Vorratslösung wird dann aufbewahrt, bis sie zur Zubereitung des Elektropoliturbades benötigt wird.
Ein elektrolytisches Politurbad wird durch Mischen von 5 Gallonen als Reagens geeigneter Phosphorsäure und 1,2 Gallonen einer als Reagens geeigneten Schwefelsäure hergestellt. 90 ml der Fluorad-Vorratslösung werden zu der Säuremischung hinzugefügt, um eine geeignete Konzentration von Fluorad-FC 95 zu erreichen, wobei Konzentrationen zwischen 20 ppm und etwa 50 ppm Fluorad FC 95 in dem elektrolytischen Politurbad bevorzugt sind. Der Fluorad-FC-95-Spiegel wird während des elektrolytischen Polierens vorzugsweise periodisch geprüft, um sicher zu sein, daß ein ausreichender Spiegel beibehalten bleibt. Das elektrolytische Politurbad wird auf eine Temperatur von 53 ± 3ºC erwärmt.
Die Membranplatten 60 sollten überprüft werden, um sicherzustellen, daß das Gold aus dem elektrolytisch zu polierenden Bereich entfernt ist und daß der Bereich im wesentlichen dellenfrei ist. Ferner sollte die Einrichtung zum elektrolytischen Polieren überprüft werden, um sicherzustellen, daß der negative Pol der Stromzufuhr an die Anodenplatte der Anordnung zum elektrolytischen Polieren angelegt ist.
Um den entsprechenden Bereich der Oberfläche 34b der Membranplatte 60 geeignet elektrolytisch zu polieren, muß die richtige Strommenge für eine geeignete Zeitdauer aufgebracht werden. Z.B. können Membranplatten in Gruppen zu sieben elektrolytisch poliert werden. Eine solche Gruppe kann durch Aufbringen von 49 Amperminuten Strom poliert werden. Mit anderen Worten sind etwa 7 Amper Strom für eine Minute erforderlich, um jede Membranplatte elektrolytisch zu polieren. Vorzugsweise wird eine Gruppe von 7 Membranplatten poliert, wobei Impulsleistungen von 50 Amper für 9 msek bereitgestellt werden, gefolgt von 10 msec Auszeit. Die Zufuhr der Impulsleistung wird so eingestellt, daß sie 49 Amper-Minuten Strom erbringt.
Die Membranplatten werden in eine herkömmliche Elektropolituranordnung eingesetzt und an einer Halteplatte der Anordnung durch übliche Mittel, wie z.B. eine Krokodilklemme, befestigt. Zu diesem Zweck können auch andere übliche Befestigungsmittel verwendet werden. Vorzugsweise stoßen die Membranplatten über ihre gesamte Länge an die Halteplatte. Zu diesem Zeitpunkt ist die Membranplatte so ausgerichtet, daß die Oberfläche 34b die Anode kontaktiert und die Oberfläche 34a gegen die Halteplatte stößt. Die Anode und die Membranplatte/Halteplatte tauchen vollständig in das Elektropoliturbad ein. Der Elektropoliturstrom wird auf die exponierten Bereiche der Membranplattenoberfläche 34b für die oben angegebene Elektropoliturzeit aufgebracht.
Nach der Strombehandlung wird die Membranplatte aus dem Elektropoliturbad herausgenommen und und in ein oder mehrere, vorzugsweise zwei mit deionisiertem Wasser (DI) gefüllte Sprühtanks getaucht, und dann gerührt. Nach dem Abspülen wird die Membranplatte vorzugsweise sorgfältig mit einem DI-Wasserspritzer abgespritzt. So wird verbliebene Säure aus dem Elektropoliturbad von der Membranplatte entfernt. Vorzugsweise wird die Membran dann sorgfältig gebläsegetrocknet.
Jedes andere Elektropolitur- oder Membranplatten-Behandlungsverfahren kann erfindungsgemäß verwendet werden. Zusammen betrachtet sollten solche solche alternativen Verfahren die gleiche oder eine ähnliche Reduzierung der Oberflächenkeimstellendichte erzielen. Ein Fachmann kann solche Elektropoliturverfahren und Membranplattenbehandlungsverfahren entwickeln und anwenden.
Die Erfindung ist insbesondere anwendbar und weist Vorteile auf, wenn Antriebsanordnungen 33 für die piezoelektrische Keramik 36/Membran 34 bei der Tintentropfenformation verwendet werden. Eine bevorzugte Ausführungsform eines Tintenstrahldruckkopfes, die diesen Typ eines akustischen Treibers verwendet, ist in der US-Patentanmeldung Nr.07/430,213 mit dem Titel "Drop- on-Demand Ink Jet Print Head", angemeldet am 1.11.1989, ausführlich beschrieben. Andere Tintenstrahldrucker und akustische Treiber können in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Z.B. können Längsmode-piezoelektronische Keramiktreiber verwendet werden, solange der (die) die Tinte kontaktierenden Bereich(e) der dem Treiber zugeordneten Komponenten erfindungsgemäß hergestellt werden.
Eine Ausführungsform einer einzelnen Tintendüse in einem Tintenstrahldruckkopf 9, wie in der o.g. US-Patentanmeldung 07/430,213 beschrieben, ist in Fig. 3 dargestellt. Dieser Tintenstrahl weist einen körper 10 auf, der einen Tinteneinlaß 12 enthält, durch den Tinte zum Tintenstrahldruckkopf 9 gelangt. Der Körper 10 definiert auch einen Mündungsauslaß bzw. eine Düse 14 zusammen mit einem Tintenfließweg 28 vom Tinteneinlaß 12 zu Düse/Auslaß 14. Im allgemeinen enthält der Tintenstrahldruckkopf ein Array von Düsen/Auslässen, die nahe zueinander angeordnet sind, d.h. nahe voneinander beabstandet sind, zur Verwendung beim Drucken von Tintentropfen auf ein Printmedium (Fig. 1).
Um die Herstellung eines erfindungsgemäßen Tintenstrahldruckkopfes 9 zu erleichtern, ist der Körper 10 vorzugsweise aus mehrfach laminierten Platten oder Folien, wie z.B. Edelstahl, gebildet. Diese Blätter werden übereinander gestapelt. In der Ausführungsform gemäß Fig. 3 enthalten diese Blätter oder Platten eine Membranplatte 60, die die Membran 34, und außerdem einen Tinteneinlaß 12 und einen Überlaufauslaß 48 bildet; eine Tintendruckkammerplatte 62, die die Tintendruckkammer 22 bildet, einen Bereich eines Tintenzufuhrverteilers 16 und einen Bereich einer Auslaßpassage 46; eine Trennplatte 64, die einen Bereich eines Tintendurchlasses 26 bildet, an eine Seite der Druckkammer 22 stößt, einen Einlaß 20 und einen Auslaß 24 der Druckkammer 22 bildet, und einen Teil des Zufuhrverteilers 16 und auch einen Teil der Auslaßpassage 46 definiert; und eine Tinteneinlaßplatte 66, die einen Bereich des Durchlasses 26, einen Einlaßkanal 18, und einen Teil der Auslaßpassage 46 definiert; eine andere Trennplatte 68, die einen Teil der Durchlässe 26 und 46 definiert, eine Nebenkanalplatte 70, die einen größeren oder Nebenbereich 71 der Passage 26 und einen Bereich des Auslaßverteilers 44 definiert, eine Trennplatte 72, die einen Teil der Passage 26 und des Auslaßverteilers 44 definiert; eine optionale Auslaßplatte 74, die einen Auslaßkanal 42 und einen Teil des Auslaßverteilers 44 bildet; eine Düsenplatte 76, die die Düsen/Auslässe des Arrays bilden; und eine optionale Führungsplatte 78, die die Düsenplatte 76 verstärkt und die Möglichkeit des Verkratzens oder eine andere Beschädigung der Düsenplatte 76 verringert.
Es können mehr oder weniger Platten als dargestellt verwendet werden, um die verschiedenen Tintenflußwege, Verteiler und Druckkammern des Tintenstrahldruckkopfes 9 zu bilden. Z.B. können Mehrfachplatten verwendet werden, um die Tintendruckkammer 22 anstelle einer einzelnen Platte gemäß Fig. 3 zu bilden. Auch brauchen nicht alle der verschiedenen Merkmale aus separaten Blättern oder Metallschichten zu bestehen. Z.B. können die Muster im Photoresist, die als Schablonen zum chemischen Ätzen des Metalls verwendet werden (sofern chemisches Ätzen bei der Herstellung verwendet wird), auf jeder Seite eines Metallblatts unterschiedlich sein. Insbesondere kann das Muster für die Tinteneinlaßpassage auf einer Seite der Metallfolie vorhanden sein, während das Muster für die Druckkammer auf der anderen Seite und z.B. in Ausrichtung vorn/hinten vorhanden sein. Bei sorgfältig kontrolliertern Ätzen können separte Tinteneinlaßpassagen und Druckkammern enthaltende Schichten in einer gemeinsamen Schicht kombiniert sein.
Um die Herstellungskosten klein zu halten, werden alle Metallschichten des Tintenstrahldruckkopfes 9 mit Ausnahme der Membranplatte 60 und der Düsenplatte 76 so ausgebildet, daß sie unter Verwendung relativ kostengünstiger herkömmlicher Photomuster und Ätzverfahren im Metallfolienbestand hergestellt werden können. Eine Bearbeitung oder andere Metallbehandlungsverfahren, wie z.B. das für die Membran 34 der Membranplatte 60 erforderliche Elektropolierverfahren, ist nicht mehr nötig.
Die Düsenplatte 76 wurde unter Verwendung einer Reihe verschiedener Prozesse erfolgreich hergestellt, einschließlich Elektroformung aus einem Nickelsulfatbad, der Bearbeitung durch mikroelektrische Entladung in einer Serie von 300 in Edelstahl, und Stanzen von Edelstahl in einer Serie von 300, wobei die beiden letzt genannten Ansätze zusammen mit Photobemusterung und Ätzen bei allen Merkmalen der Düsenplatten 76 mit Ausnahme der Düsen/Auslässe 14 selbst benutzt wurden. Ein anderer geeigneter Ansatz ist es&sub3; die Düsen/Auslässe 14 zu stanzen und ein Standardabdeckverfahren zu verwenden, um die übrigen Merkmale der Platte 76 zu bilden.
Der Tintenstrahldruckkopf 9 ist so ausgebildet, daß die Schicht-zu-Schicht- Ausrichtung nicht kritisch ist. D.h. typische Toleranzen, die in chemischen Ätzprozessen eingehalten werden können, sind zur Herstellung der Druckköpfe geeignet.
Die verschiedenen Schichten, die den Tintenstrahldruckkopf 9 bilden, können in jeder geeigneten Weise ausgerichtet und zusammegefügt werden, einschließlich der Verwendung geeigneter mechanischer Befestiger. Ein bevorzugter Ansatz zur Verbindung der Metallschichten ist jedoch in der US- Patentanmeldung 07/239,358 vom 1.9.1988 mit dem Titel "Manufacture of Ink Jet Print Heads by Diffusion Bonding and Brazing" beschrieben. Auf diese Patentanmeldung wird hiermit in vollem Umfang Bezug genommen.
Gemäß einem in dieser genannten Patentanmeldung beschriebenen Ansatz, werden die verschiedenen Metallschichten mit einer Schicht aus einem Achtel bis einem Viertel Mikron dicken Metall beschichtet, so daß die Diffusion gut zu sich selbst bindet. Dies ist auch ein gutes Lötmaterial. Außerdem kann es auch zuverlässig auf die Edelstahlschichten des Tintenstrahldruckkopfes aufgebracht werden oder auf andere Materialien, die den Tintenstrahldruckkopf bilden, sofern Edelstahl nicht verwendet wird. Gold kann z.B. leicht auf Edelstahl plattiert werden und läßt sich besonders gut binden und löten. Nach der Plattierung werden die verschiedenen Ebenen in Folge auf eine einfache Zweistift- Ausrichtanordnung gestapelt, die ebenfalls als Platte für die Diffusionsbindeanordnung dient. Die Stapel der Teile werden (a) bei 400 - 525ºC diffusionsgebunden, vorzugsweise bei 500 - 520ºC, einem Temperaturbereich, der thermische Störungen in den verschiedenen Schichten klein hält; (b) aus der Diffusionsbindeanordnung entfernt; (c) in eine Stickstoff-Lötatmosphäre eingesetzt; und (d) gelötet.
Dieser Bindeprozeß ist hermetisch, erzeugt eine starke Verbindung zwischen den Teilen, läßt keine sichtbaren Stückchen zum Verschließen der kleinen Kanäle im Druckkopf zurück, stört die Merkmale des Druckkopfes nicht und führt zu einem äußerst hohen Prozentsatz zufriedenstellender Druckköpfe, der an 100% grenzt. Dieser Herstellungsprozeß kann mit herkömmlicher Plattierungsausrüstung, üblichen Öfen und einfachen Diffusionsbindestrukturen ausgeführt werden und kann vom Beginn bis zum Ende eines kompletten Bindezyklus in weniger als 3 Stunden durchgeführt werden, wobei viele Tintenstrahldruckköpfe gleichzeitig hergestellt werden. Zusätzlich ist das plattierte Metall so dünn, daß es in hohem Maße während des Lötprozesses in den Edelstahl diffundiert, so daß nichts davon übrig bleibt um mit der Tinte zu reagieren, weder durch chemischen Angriff noch durch Elektrolyse. Daher können Plattierungsmaterialien wie z.B. Kupfer, das leicht durch einige Tinten angegriffen werden kann, bei diesem Bindeprozeß verwendet werden.
Der Tinteneinlaß 12, z.B. aus dem Tintenvorrat 11 (Fig. 1), führt zu einem Tintenzufuhrverteiler 16. Ein typischer Farbtintenstrahldruckkopf weist wenigstens vier solche Verteiler zur Aufnahme von schwarzer, cyan-, magentafarbener und gelber Tinte zur Verwendung in Schwarz-plus-drei Farbsubtraktionsdrucken auf. Die Zahl der Tintenzufuhrverteiler kann verschieden sein, abhängig davon, ob ein Drucker nur zum Drucken mit schwarzer Tinte, mit weniger als dem vollen Farbbereich, oder mit einer oder mehreren zusätzlichen Farben vorgesehen ist, die direkt anstelle einer subtraktiven Bildung aus Cyan, Magenta und Gelb erzeugt werden. Aus dem Tintenvorratsverteiler 16 fließt die Tinte durch einen Tinteneinlaßkanal 18, durch einen Tinteneinlaß 20 und in eine Tinkendruckkammer 22. Die Tinte verläßt die Tintendruckkammer 22 durch einen Tintendruckkammerauslaß 24. Die Tinte fließt dann durch eine Tintenpassage 26 zur Düse 14, aus der Tintentropren ausgestoßen werden. Eine Reihe von Pfeilen 28 erläutert diesen Tintenflußweg.
Die Tintendruckkammer 22 wird an einer Seite durch die Membran 34 begrenzt, welche erfindungsgemäß elektrolytisch poliert ist. Der piezoelektrische Keramikbereich 36, der an der Membran 34 mit Hilfe eines Epoxyharzes befestigt ist, bedeckt die Tintendruckkammer 22. Üblicherweise weist die piezoelektrische Keramik 36 wenigstens eine Metallfilmschicht 38 auf, mit der ein elektronischer Schaltungstreiber (Spannungsquelle 37 in Fig. 1) elektrisch verbunden ist. Vorzugsweise, wie in Fig. 3 gezeigt, weist die piezoelektrische Keramik 36 eine Metallfilmschicht 38 auf, die auf beiden gegenüberliegenden Oberflächen angeordnet ist und in der Ebene der Metallschichten liegt, die den Tintenstrahldruckkopf bilden. Die Keramik 36 gemäß Fig. 3 arbeitet im Biegemodus; es können auch andere Formen piezoelektrischer Keramik verwendet werden. Insbesondere wenn eine Spannung über die piezoelektrische Keramik 36 angelegt wird, versucht die Keramik 36, ihre Ausdehnungen zu ändern. Da die piezoelektrische Keramik 36 sicher und fest mit der Membran 34 verbunden ist, tritt Biegung auf. Eine solche Biegung verdrängt in der Tintendruckkammer 22 befindliche Tinte, wodurch ein Tintenfluß durch die Tintenpassage 26 zur Düse/zum Auslaß 14 entsteht. Ein Wiederauffüllen der Tintendruckkammer 22 nach dem Ausstoß eines Tintentropfens kann durch umgekehrtes Biegen der piezoelektrischen Keramik 36 bewirkt werden, was durch den elektrischen Schaltungstreiber (Spannungsquelle 37 in Fig. 1) angezeigt wird.
Zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit weisen die Druckkammern 22 einen transversalen Querschnitt auf, der vorzugsweise in alle Richtungen gleich ist. Entsprechend sind Druckkammern mit z.B. hexagonalem oder zirkularem Querschnitt bevorzugt.
Um einen extrem kompakten und leicht herstellbaren Tintenstrahldruckkopf zu erzeugen, werden die verschiedenen Druckkammern 22 eines Tintenstrahldruckkopfes üblicherweise in einer im wesentlichen ebenen Anordnung gemäß Fig. 4 ausgebildet. Die Druckkammern sind daher im transversalen Querschnitt sehr viel größer als in der Tiefe, wodurch für eine vorgegebene Ablenkung des akustischen Treibers 33 in das Volumen der Druckkammer ein höherer Druck erzielt wird. Darüber hinaus sind alle Tintendruckkammern eines bevorzugten Tintenstrahldruckkopfes in der gleichen Ebene oder auf gleicher Tiefe innerhalb des Tintenstrahldruckkopfes angeordnet. Diese Ebene entspricht der Ebene einer oder mehrerer Platten 62 (Fig. 3 und 4), die die Druckkammern definieren.
Um eine äußerst hohe Packungsdichte zu erreichen, werden die Druckkammern 22 vorzugsweise in wenigstens zwei parallelen Reihen angeordnet, wobei ihre geometrischen Zentren beabstandet sind oder gegeneinander versetzt sind. Auch sind die Druckkammern typischerweise durch nur sehr wenig Blattmaterial voneinander getrennt. Im allgemeinen bleibt nur soviel Blattmaterial zwischen den Druckkammern erhalten, wie erforderlich ist, um eine zuverlässige (leckagefreie) Verbindung der Tintendruckkammer herzustellen, die die Schichten zu benachbarten Ebenen definiert.
Wie in Fig. 3 gezeigt, sind Tintenpassagen 26 vorgesehen, um jede Druckkammer 22 mit ihrer zugeordneten Düse/Auslaß 14 zu verbinden. Im allgemeinen besteht jede dieser Passagen 26 aus einem ersten Abschnitt 91, der sich in einer Richtung normal zur Druckkammer für eine erste Strecke erstreckt und einen zweiten versetzten Kanalabschnitt 71, der sich in einer zweiten Richtung parallel zur Ebene der Druckkammer für eine zweite Strecke erstreckt und einen dritten Abschnitt 93, der sich normal zur zweiten Richtung und zur Düse/zum Auslaß 14 erstreckt. Der versetzte Kanalbereich 71 ermöglicht die Ausrichtung von Düsen in einer oder mehreren Reihen (Fig. 4, 7 und 13), wobei der Zentrum-zu-Zentrum-Abstand der Düsen zueinander sehr viel kleiner ist als der Zentrum-zu-Zentrum-Abstand der zugeordneten Druckkammern.
Die versetzten Kanalabschnitte 71 bilden einen Hauptteil der Passagen 26. Ferner sind die Passagen 26, und insbesondere deren versetzte Kanalabschnitte, in den Tintenstrahldruckkopfebenen zwischen den Druckkammern 22 und den Düsen/Auslässen 14 angeordnet. Vorzugsweise weisen die Passagen 26 den gleichen Querschnitt und die gleiche Länge auf. Wenn die Einlaßkanäle 18 zu den Druckkammern 22 ebenfalls ähnliche Querschnittsabmessungen und Längen aufweisen, haben alle Düsen in dem bevorzugten Tintenstrahlkopf die gleichen Resonanzcharakteristika und können daher mit identischen Wellenformen angetrieben werden, um im wesentlichen identische Tintenkopfstrahlcharakteristika der verschiedenen Düsen/Auslässe zu erreichen. Ferner sind die versetzten Kanalbereiche typischerweise auf einer einzigen gemeinsamen Ebene ausgebildet, um damit die Dicke und somit das Gewicht und die Kosten des Tintenstrahldruckkopfes klein zu halten.
Wenn der Zentrum-zu-Zentrum-Abstand der hexagonal angeordneten Druckkammern 22 0,135 Inch beträgt, beträgt der Abstand vom Zentrum des Radius an einem Ende der Nebenkanalabschnitte 71 zum Zentrum des Radius am anderen Ende 0,116 Inch. Das heißt, nach der Form eines gleichschenkligen Dreiecks entspricht die Nebenkanallänge dem Abstand von Zentrum zu Zentrum der Druckkammer multipliziert mit ( 3/2). Ferner sind die Nebenkanäle an dem der Düse/dem Auslaß benachbarten Ende typischerweise 0,015 Inch und am anderen Ende (benachbart zur Druckkammer) 0,024 Inch breit, obgleich die Breiten variieren können. Z.B. wurden am der Druckkammer benachbarten Ende Breiten zwischen 0,020 und 0,036 Inch erfolgreich getestet. Eine typische Offsetkanalweite ist 0,20 Inch und kann z.B. durch Übereinanderlegen zweier identischer Schichten, anstelle einer Einzelschicht-Konstruktion gemäß Fig. 3 erreicht werden.
Unter weiterer Bezugnahme auf Fig. 3 sind die Tintenzufuhrkanäle 18 durch eine Platte 66 definiert, die in einer Ebene zwischen den Tintendruckkammern 22 und den Düsen/Auslässen 14 liegt. In einer Tintenstrahldruckkopfausbildung mit einer Vielzahl von Druckkammerreihen wird es vorzugsweise vermieden, die Tinte zu den inneren Reihen der Druckkammern zwischen den Druckkammern der äußeren Reihen hindurchzuführen, weil sich dadurch der erforderliche Platz zwischen den Druckkammern vergrößert. Um dieses Ziel zu erreichen wird die Tinte zu den Druckkammern von einer unter den Druckkammern liegenden Ebene zugeführt. D.h. die Tinte fließt vom Äußeren des Tintendruckstrahlkopfes zu einer Stelle in einer Ebene zwischen den Druckkammern und den Düsen/Auslässen. Die Tintenzufuhrkanäle erstrecken sich dann zu Orten, die mit den entsprechenden Druckkammern ausgerichtet sind und mit diesen von der Unterseite der Druckkammern her gekoppelt sind.
Um eine Flußimpedanz der Tintenzufuhrkanäle zu den inneren Reihen der Druckkammern gleich der zu den äußeren Reihen der Druckkammern zu erreichen, sind die Kanäle so ausgebildet, daß sie den gleichen Querschnitt und die gleiche Gesamtlänge aufweisen. Die Länge der Kanäle und ihre Querschnittsflächen bestimmen ihre charakteristische Impedanz, die so gewählt ist, daß sie die gewünschte Leistung der einzelnen Tintenstrahlen in dem Array ergibt und die Verwendung von kleinen Öffnungen oder Dusen an den Einlässen 20 der Druckkamme vermeidet. Typische Kanalabmessungen sind 0,275 Inch Länge x 0,010 Breite, wobei Abweichungen der Dicke von 0,004 Inch zu 0,016 Inch, abhängig von der Viskosität der Tinte, möglich sind. Die Tintenviskosität variiert typischerweise von etwa 1 Centipoise für wäßrige Tinten bis zu etwa 10- 15 Centipoise für Heißschmelztinten. Es ist wichtig, die Kanäle so zu bemessen, daß ausreichend Tinte für den Betrieb bei der gewünschten Maximaltintenstrahldruckrate zugeführt wird, und gleichzeitig noch eine ausreichende akustische Isolierung der Tintendruckkammern beibehalten wird.
Die Einlaß- und Auslaßverteiler 16, 44 sind vorzugsweise außerhalb der Ränder der Druckkammerreihen 22 angeordnet. Ferner werden die Querschnittsabmessungen der Einlaß- und Auslaßverteiler dahingehend optimiert, daß sie zwar das kleinste Volumen an Tinte enthalten, aber noch ausreichend Tinte zu den Düsen/Auslässen 14 führen, wenn alle derartigen Düsen/Auslässe gleichzeitig betrieben werden und daß eine Anpassung an minimale Düse-zu- Düse-Interaktionen erzielt wird. Typische Querschnittsabmessungen sind 0,12 x 0,02 Inch. Wenn die Auslaßkanäle 42 und die Auslaßverteiler 44 weggelassen werden, wie bevorzugt, können die Einlaßverteiler 16 zwischen den äußeren Reihen der Druckkammern und den Düsen/Auslässen in der gleichen Ebene wie die Nebenkanäle 71 angeordnet sein. Die Vorteile dieses Aufbaus liegen darin, daß der Tintenstrahldruckkopf kompakter wird und daß die Einlaßkanäle sowohl zu den inneren als auch zu den äußeren Reihen der Druckkammern die gleiche Konfiguration zeigen und trotzdem noch gleiche Querschnitte und Länge aufweisen können. Wenn die Auslaßkanäle 42 weggelassen werden, wird die Schicht 72 vorzugsweise erhalten, um zusätzlichen Halt für die Düsenschicht 76 zu liefern. Wenn die Einlaßverteiler vollständig unterhalb der äußeren Reihen der Druckkammern angeordnet werden, können mehr Reihen von Druckkammern 22 auf dem gleichen hexagonalen Gitter angeordnet werden. Mit anderen Worten kann sich eine größere Zahl von Druckkammern in der Schicht 62 befinden.
Obwohl eine Vielzahl von Tintenzufuhrkanälen 18 mit Tinte aus jedem Verteiler 16 versorgt wird, wird die akustische Isolierung zwischen den an einen gemeinsamen Verteiler angeschlossenen Druckkammern 22 erzielt. Genauer gesagt funktionieren die Tintenzufuhrverteiler und die Tintenzufuhrkanäle als akustische R-C-Schaltkreise, um Druckimpulse zu dämpfen. Diese Druckimpulse würden sonst durch die Zufuhrkanäle zurück in die Druckkammern laufen, in denen sie entstanden sind, in den gemeinsamen Verteiler laufen und dann in die benachbarten Zufuhrkanäle eintreten und dort die Leistung der zugeordneten Düsen/Auslässe negativ beeinflussen. Bei dieser Anordnung weisen die Verteiler Federeigenschaften und die Einlaßkanäle einen akustischen Widerstand auf, so daß die Druckkammern akustisch voneinander isoliert sind. Mit akustischer Isolierung ist gemeint, daß der Effekt auf die Tintenaustoßcharakteristika einer Düse/eines Auslasses, der aus dem Betrieb jeder anderen Düse/Düsen (eines anderen Auslasses/Auslässe) resultiert, die mit dem gleichen Verteiler verbunden sind, nicht größer als 10 Mikrosekunden ist und typischerweise nicht mehr als 3 Mikrosekunden über den gesamten Bereich der Tropfenausstoßrate beträgt. Diese Übersprech-Rate hat keinen sichtbaren Effekt auf den resultierenden Ausdruck.
Die Düsen/Auslässe 14 weisen eine zentrale Achse auf, die im wesentlichen senkrecht zur Ebene der Platte 62 und damit zur Ebene der Tintendruckkammern 22 steht, die den Düsen/Auslässen zugeordnet sind. Zusätzlich liegen die zentralen Achsen der Düsen/Auslässe) wenn sie die Ebene 62 schneiden, neben den zugeordneten Druckkammern und schneiden diese nicht. In den Schichten des Tintenstrahldruckkopfes 9 gemäß den Fig. 7 und 13 sind die Düsen/Auslässe in zwei Reihen angeordnet, die vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise, im wesentlichen in geradlinigen Reihen horizontal nebeneinander liegen. Die Druckkammern, die mit jeder Düsen-/Auslaßreihe gekoppelt sind, sind in vier Reihen angeordnet.
Wie oben genannt, beträgt eine typische Quererstreckung der Druckkammern 22 0,110 Inch, wobei das hexagonale Array der Druckkammern so angeordnet ist, daß der Zentrum-zu-Zentrum-Abstand 0,135 Inch beträgt. Dadurch sind die Druckkammern nahe beabstandet mit nur einer minimalen Menge Plattenmaterial dazwischen, die notwendig ist, um sie zu verbinden. Düsen-/Auslaß-14-Durchmesser zwischen 35 und 85 Mikron wurden erfolgreich verwendet, obwohl ausreichende Düsen-/Auslaßdimensionen nicht auf diesen Bereich beschränkt sind. Zum Drucken mit wäßrigen Tinten bei 300 Dots/Inch ist ein bevorzugter Düsen/Auslaß-Durchmesser etwa 40 Mikron. Aufgrund beschränkter Ausbreitung von Tintentropfen auf dem Druckmedium beim Drucken mit Heißschmelz- oder Phasenwechseltinten bei 300 Dots/Inch beträgt der bevorzugte Düsen/Auslaß-Durchmesser hierbei etwa 75 Mikron. In beiden Fällen beträgt die bevorzugte Dicke der Düsenplatte 76 etwa 63 bis 75 Mikron oder 0,0025 bis 0,0030 Inch.
Darüber hinaus beträgt der Zentrum-zu-Zentrum-Abstand der Düsen/Auslässe 14 während des Betriebs etwa 0,0335 Inch. Wenn bei diesem Abstand eine Reihe von Düsen/Auslässen aus der Horizontale um einen Winkel gedreht wird, dessen Arcustangens 1/10 ist (Fig. 4), beträgt der vertikale Abstand zwischen benachbarten Düsen/Auslässen 1/300 Inch und der entsprechende horizontale Abstand ist 10/300 Inch. Bei diesen horizontalen und vertikalen Abständen wird der Tintenstrahldruckkopf 9 so eingestellt, daß er mit einer Adressierbarkeit von 300 Dots/Inch sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung druckt.
Wenn die geometrische Anordnung der Druckkammern 22 und der Düsen/Auslässe 14 wie oben genannt ausgeführt ist und die umgekehrte vertikale Adressierbarkeit v ist, die umgekehrte horizontale Adressierbarkeit h ist, die Zahl der horizontalen Adressen zwischen den Düsen n ist, der Abstand zwischen den Düsen s ist, wird der Zentrum-zu-Zentrum Abstand C zwischen den Druckkammern und der Abstand L zwischen den Reihen der Druckkammern gemäß Fig. 16 wie folgt ausgedrückt:
s = v² +(nh)²
C = 4s = 4 v² + (nh)²
L = ( 3/2)C 2 3 ( v² + (nh)²)
Fig. 16 illustriert eine bevorzugte Anordnung, bei der die Tinteneinlässe 20 zu den Druckkammern 22 und die Tintenauslässe 24 aus diesen Druckkammern sich diametral gegenüberliegen. Diese sich diametral gegenüberliegenden Einlässe und Auslässe ergeben einen Querfluß der Druckkammern während des Füllens und des Entleerens, um das Abschöpfen von Blasen und Kontaminierungen aus den Druckkammern zu erleichtern. Diese Anordnung ergibt auch den größten Abstand zwischen den Druckkammer Ein- und Auslässen zur Verbesserung der akustischen Isolation. Zusätzlich liegen die Druckkammerauslässe näher zum Flüssigkeitsweg, d.h. sie sind flüssigkeitsmäßig den Düsen/Auslässen 14 näher als die Druckkammereinlässe.
In der Ausbildung nach Fig. 16 können die Düsen/Auslässe 14 mit viel engeren Zentrum-zu-Zentrum-Abständen ausgebildet sein als die Zentrum-zu- Zentrum-Abstände der nahe beabstandeten und zugeordneten Druckkammern 22. Wenn z.B. der Zentrum-zu-Zentrum-Abstand der Druckkammern X beträgt, beträgt der Zentrum-zu-Zentrum-Abstand der zugeordneten Düsen/Auslässe vorzugsweise 1/4 X. Zum Zwecke der Symmetrie ist bevorzugt, daß der Düse- zu-Düse-Abstand in einer Reihe von Düsen/Auslässen die Umkehrung der Anzahl der Druckkammerreihen beträgt, die die Reihen der Düsen/Auslässe versorgen. Wenn z.B. sechs Reihen Tintendruckkammern verwendet werden, die eine Reihe von Düsen/Auslässen versorgen, beträgt der Düse-zu-Düse-Abstand vorzugsweise 1/6 des Zentrum-zu-Zentrum-Abstandes dieser Tintendruckkammern. Entsprechend wird ein äußerst kompakter Tintenstrahldruckkopf erhalten, bei dem die Düsen/Auslässe nahe beabstandet sind. Als spezifisches Beispiel der kompakten Beschaffenheit des Tintenstrahldruckkopfes 9 ist die 96-Düsen-Anordnung von Fig. 4 bei 0,07 Inch Dicke etwa 3,8 x 1,3 Inch groß.
Zusätzlich zum oben beschriebenen Tintenflußweg 28 wird durch den Körper 10 des Tintenstrahldruckkopfes 9 optional ein Auslaß- oder Überlaufkanal 42 gebildet. Die Verwendung eines Überlaufkanals wird in der Praxis der vorliegenden Erfindung jedoch nicht bevorzugt. Der Überlaufkanal 42 ist mit der Tintenpassage 26 nahe, jedoch innerhalb der Düse 14 gekoppelt. Der Überlaufkanal 42 erstreckt sich von der Tintenpassage 26 zu einem Auslaß- oder Überlaufverteiler 44, der durch eine Überlauf-Auslaß-Passage 46 mit einem Überlaufauslaß 48 verbunden ist. Der Überlaufverteiler 44 ist typischerweise durch ähnliche Überlaufkanäle 42 mit ähnlichen Tintenpassagen 26, die mehreren Düsen 14 zugeordnet sind, verbunden. Während des Überlaufbetriebs fließt Tinte in eine Richtung, die durch eine Reihe von Pfeilen 50 dargestellt ist, durch den Überlaufkanal 42, den Überlaufverteiler 44, die Überlaufauslaßpassage 46 zum Überlaufauslaß 48.
Der in Fig. 4 gezeigte Tintenstrahldruckkopf 9 bildet eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei andere Elemente als der verbesserte akustische Treiber zur Druckwellenerzeugung bereits in der o.g. US- PS-Anmeldung 07/430,213 dargestellt sind. Der dargestellte Druckkopf wurde in einem schreibmaschinenartigen Shuttle-Druckmechanismus verwendet, um Vollfarbdrucke bei einer Adressierbarkeit von 300 Dots/Inch sowohl horizontal als auch vertikal zu drucken. Dieser Druckkopf wurde ständig und zuverlässig bei allen Geschwindigkeiten bis etwa 11.000 Tropfen pro Sekunde und Düse betrieben, wobei die äußersten Grenzen des Betriebs noch nicht bestimmt wurden. Der Tintenstrahldruckkopf nach Fig. 4 enthält eine Reihe von 48 Düsen/Auslässen, die zum Drucken mit schwarzer Tinte verwendet werden. Dieser Tintenstrahldruckkopf weist auch eine separate, horizontal beabstandete Reihe von 48 Düsen/Auslässen auf, die zum Drucken mit farbiger Tinte verwendet werden. 16 dieser letztgenannten Düsen/Auslässe werden für Cyantinte, 16 für Magentatinte und 16 für gelbe Tinte verwendet.
Die Tintenstrahldruckanordnung nach Fig. 4 kann leicht modifiziert werden, um Düsen/Auslässe entlang einer einzelnen Reihe anstelle einer Doppelreihe aufzuweisen. Keine der Betriebscharakteristika des Tintenstrahldruckkopfes würde durch diese Veränderung beeinflußt werden.
Die Fig. 5 - 14 zeigen eine Abstandsplatte 59 zur Aufnahme eines akustischen Treibers, eine Membranplatte 60, eine Tintendruckkammerplatte 62, eine Trennplatte 64, eine Tinteneinlaßplatte 66, eine Trennplatte 68, eine einen Nebenkanal definierende Platte 70, eine Trennplatte 72, eine Düsen- oder Mündungsplatte 76 und eine Führungsplatte 78 für den 96-Düsen- Tintenstrahldruckkopf von Fig. 4. Diese Ausführungsform des Tintenstrahldruckkopfes 9 ist mit einer Vielzahl von Tintenaufnahmeverteilern versehen, die verschiedene Tintenfarben aufnehmen können. Die gezeigte Ausführungsform weist 5 Verteilersätze auf, wobei jeder Satz zwei Verteilerabschnitte enthält. Die Verteilersätze sind voneinander so isoliert, daß der Tintenstrahldruckkopf fünf verschiedene Tintenfarben aufnehmen kann. Der Tintenstrahldruckkopf 9 dieser Ausführungsform kann daher Cyan-, gelbe und Magenta-Tinte zur Verwendung für ständiges subtraktives Farbdrucken zusammen mit schwarzer Tinte zum Drucken von Text aufnehmen. Eine fünfte Tintenfarbe könnte auch verwendet werden, anstatt die fünfte Farbe durch Kombination von Cyan-, gelber und Magenta-Tinte auf dem Printmedium zu erzeugen. Da außerdem schwarze Tinte typischerweise mehr verwendet wird als farbige Tinte in solchen Anwendungen, in denen sowohl Text als auch Grafiken zu drucken sind, kann mehr als ein Satz von Verteilern mit schwarzer Tinte versorgt werden. Diese letzte Anwendung ist das spezifische Beispiel, das nachstehend beschrieben wird.
Durch Einfügen von Mehrfachverteilerabschnitten für jede Tintenfarbe wird zusätzlich der Abstand zwischen den einzelnen Verteilerabschnitten und einer Düse/einem Auslaß, die/der durch den Verteilerabschnitt versorgt wird, minimiert. Dieser verringerte Tintenwanderweg führt umgekehrt dazu, daß der dynamische Tintendruck minimiert wird, der aus der Beschleunigung und der Abbremsung von Tintenmengen entsteht, während ein Tintenstrahldruckkopf z.B. entlang einer horizontalen Linie während des Druckens hin- und herfährt.
Um die in Fig. 4 dargestellte Struktur näher zu erläutern, sind die Tintenfließwege durch die verschiedenen Ebenen des Tintenstrahldruckkopfes im Hinblick auf die Fig. 5 - 13 dargestellt. In der folgenden Beschreibung wird der Buchstabe c in Verbindung mit den Cyan-Tintenfluß-Komponenten verwendet. Der Buchstabe y wird in Verbindung mit den gelben Tintenflußweg-Komponenten verwendet und der Buchstabe in wird in Verbindung mit den Magenta-Tintenfluß- Komponenten verwendet. Die Bezeichnung b&sub1; wird in Verbindung mit den Tintenflußkomponenten verwendet, die durch den ersten Schwarztinte-Einlaß versorgt werden und die Bezeichnung b&sub2; wird in Verbindung mit Tintenflußkomponenten verwendet, die durch den zweiten Schwarztinte-Einlaß versorgt werden.
In Fig. 5 ist eine Abstandsplatte 59 mit einer Öffnung 140 gezeigt, in der die piezoelektrischen Keramiken 36 (Fig. 4) angeordnet sind. Die Abstandsplatte 59 ist optional und bietet eine flache Oberfläche an der Rückseite des Tintenstrahldruckkopfes, die mit der äußeren Oberfläche der piezoelektrischen Keramiken ausgerichtet liegt. Es sind mehrere Tintenzufuhreinlässe durch die Schicht 59 vorgesehen, durch die Tinte dem Tintenstrahldruckkopf zugeführt wird. Diese Einlässe sind mit 12c, 12y, 12m, 12b&sub1; und 12b&sub2; bezeichnet.
Die Farben müssen dem Tintenstrahldruckkopf nicht in der genannten Reihenfolge zugeführt werden. Wie nachstehend erläutert, weist der dargestellte Tintenstrahldruckkopf jedoch an seiner linken Seite 48 Düsen zum Drucken von farbiger Tinte und an seiner rechten Seite 48 Düsen zum Drucken von schwarzer Tinte auf (Fig. 4).
Bezüglich der Membranschicht 60 gemäß Fig. 6 erstrecken sich die jeweiligen Tinteneinlässe 12c - 12b&sub2; auch durch diese Schicht.
Fig. 7 zeigt das Array der in dieser Ausführungsform eines Tintenstrahldruckkopfes 9 verwendeten Tintendruckkammern 22. Der Cyaneinlaß 12c ist mit einem Cyantintenzufuhrkanal 142 in dieser Schicht verbunden, der mit zwei Cyanverteilerabschnitten 130c und 130c' kommuniziert. Der Verteilerabschnitt 130c befindet sich außerhalb des linken Arrays der Druckkammern 22 und neben dem unteren Mittelbereich dieses Arrays. Der Verteilerabschnitt 130c' befindet sich neben dem oberen linken Bereich dieses Druckkammerarrays. Ebenfalls in der Schicht 62 kommuniziert der Tinteneinlaß 12b&sub2; mit einem Kanal 144, der mit den jeweiligen Schwarztinten- Verteilerbereichen 130b&sub2; und 130b&sub2;' gekoppelt ist. Der Verteilerabschnitt 130b&sub2; befindet sich neben dem unteren rechten Bereich des am weitesten rechts liegenden Arrays der Tintendruckkammern 22 und der Verteilerbereich 130b&sub2; ist entlang dem oberen rechten Bereich der Druckkammerarrays angeordnet.
Der Einlaß 12y für gelbe Tinte ist ebenfalls mit einem Kommunikationskanal 146 in der Schicht 62 verbunden, obwohl die Verbindung des Einlasses 12y für gelbe Tinte mit dem Verteilerabschnitt 130y und 130y' für gelbe Tinte (Fig. 7) in einer anderen Ebene stattfindet. Auch die Zufuhreinlässe 12m für Magentatinte und der erste Zufuhreinlaß 12b&sub1; für schwarze Tinte führen durch die Schicht 62. Die Einlässe 12m und 12b&sub1; sind mit den jeweiligen Magenta- und Schwarztinten- Verteilern gekoppelt, wobei Teile davon als 130m, 130m', 130b&sub1; und 130b&sub1;' in Fig. 8 dargestellt sind, in anderen Ebenen des Tintenstrahldruckkopfes liegen. Durch Einsetzen von Kommunikationskanälen, z.B. 142, 144 und 146, zwischen getrennten Verteilersektionen sind nur fünf (anstelle von zehn) Tintenzufuhreingänge erforderlich. Ferner wird durch Einfügen der Verteiler in mehr als einer Ebene die Tiefe und somit das Volumen der Verteiler erhöht, wodurch die akustische Federeigenschaft der Verteiler erhöht wird.
Wie aus Fig. 8 ersichtlich, sind die Verteiler und Kommunikationskanäle der Schicht 62 mit entsprechenden Verteilern und Kommunikationskanälen der Schicht 64 ausgerichtet. Entsprechend (vgl. Fig. 9 und die Schicht 66) sind Teile der Tintenzufuhrverteiler zur Erhöhung der akustischen Federeigenschaft in dieser Schicht enthalten. Auch die Schicht 66 definiert Durchlässe 129 und 12y'. Diese Durchlässe kommunizieren mit den Enden des Kommunikationskanals 146 in den Schichten 62 und 64. Auch sind Teile der entsprechenden Verteiler zur Erhöhung des Volumens und der akustischen Nachgiebigkeit durch die Schicht 66 definiert.
Bezugnehmend auf die Figuren 10 und 11 ist die Magenta-Einlaßpassage 12m mit einem Kommunikationskanal 148 und über diesen Kanal mit dem Magenta-Verteilerabschnitten 130m und 130m' gekoppelt. Ferner ist der Zufuhreinlaß 12y für gelbe Tinte über einen Kanal 150 mit dem Verteilerabschnitt 130y (Fig. 10) gekoppelt. Weiterhin ist der Einlaßkanal 12y für gelbe Tinte über den Kommunikationskanal 154 (Fig. 11) mit dem Tintenverteilerabschnitt 130y für gelbe Tinte gekoppelt. Ferner steht der Zufuhreinlaß 12b&sub1; für schwarze Tinte mit einer Passage 156 in den Schichten 68, 70 (Figuren 10 und 11) und durch diese Passage mit den Verteilerabschnitten 130b&sub1; und 130b&sub1;' für schwarze Tinte in Verbindung.
Jeder der Tintenverteilerabschnitte wird wie oben beschrieben mit Tinte versorgt. Außerdem wird das Volumen der einzelnen Verteilerabschnitte durch Einfügen von Verteilerabschnittsbereichen in mehrere Schichten erhöht.
Zur weiteren Veranschaulichung wird im folgenden die Abgabe von Tinte aus diesen Verteilern zu ausgewählten Cyan- und Gelb-Tintendruckkammern 22c und 22y beschrieben. Außerdem wird der Tintenfluß von diesen beispielhaften Tintendruckkammern 22c und 22y zu ihren zugehörigen Düsen/Auslässen 14c und 14y beschrieben. Aus dieser Beschreibung ist der Tintenfluß zu den anderen Druckkammern und Düsen/Auslässen leicht erkennbar.
Unter Bezugnahme auf die Figuren 9 und 10 fließt Tinte vom Cyan- Verteilerabschnitt 130c' in einen Tinteneinlaß 132c eines Tintenzufuhrkanals 102c. Die Tinte fließt vom Kanal 102c durch einen Tintendruckkammer-Zufuhreinlaß 20c (Schichten 66, 64, Figuren 9 und 8) und in den oberen Bereich der Tintendruckkammer 22c (Schicht 62, Fig. 7). Die Tinte läuft durch die Tintendruckkammer 22c und verläßt diese durch einen Durchlaß 100c (Schichten 64, 66, 68, Figuren 8, 9 und 10) und fließt zum oberen Ende eines Nebenkanals 71c (Schicht 70, Fig. 11). Aus dem unteren Ende des Nebenkanals 71c fließt die Tinte durch eine Öffnung 104c (Schicht 72, Fig. 12) zu einer zugehörigen Düse/einem Auslaß 14c (Schicht 76, Fig. 13).
Auf die gleiche Weise tritt Tinte aus dem Tintenverteilerabschnitt 130y (Fig. 10) für gelbe Tinte in einen Einlaß 132y (Fig. 9) eines Tintenzufuhrkanals 102y ein. Vom Tintenzufuhrkanal 102y fließt die Tinte durch einen Durchlaß 20y (Schichten 66 und 64, Figuren 9 und 10) zum oberen Teil der Tintendruckkammer 22y. Vom unteren Teil der Tintendruckkammer fließt die Tinte durch einen Durchlaß 100y (Schichten 64, 66 und 68, Figuren 8, 9 und 10) zum oberen Ende eines Nebenkanals 71y (Schicht 70, Fig. 11). Aus dem unteren Ende dieses Nebenkanals fließt die Tinte durch eine Öffnung 104y (Schicht 72, Fig. 12) zur Düse/zum Auslaß 14y (Schicht 76, Fig. 13). Ebenso ist die Tintenzufuhr zu und von den Druckkammern 22m, 22b&sub1; und 22b&sub2; mit Nummern gekennzeichnet, die den o.g. Nummern entsprechen und mit den entsprechenden Kennzeichnungen m, b&sub1; und b&sub2; versehen.
Wie in Figuren 4, 11 und 13 gezeigt, werden die 48 versetzten Kanäle in der rechten Anordnung von Fig. 11 bei der oben genannten Verteileranordnung mit schwarzer Tinte sowie die 48 Düsen/Auslässe in Fig. 13, die sich in der rechten Reihe der Düsen/Auslässe der Mündungsplatte 76 befinden, mit schwarzer Tinte versorgt. Ferner werden die ersten acht versetzten Känale der oberen Reihe der versetzten Kanäle in der linken versetzten Kanalanordnung von Fig. 11 mit Cyantinte versorgt; die nächsten acht versetzten Kanäle in dieser Reihe werden mit Magentatinte versorgt; und der dritten Reihe von acht versetzten Kanälen wird gelbe Tinte zugeführt. Außerdem werden die ersten acht versetzten Kanäle in der unteren Reihe der linken versetzten Kanalanordnung mit gelber Tinte versorgt; die nächsten acht versetzten Kanäle dieser Reihe werden mit Cyantinte versorgt; und die letzte Gruppe der acht versetzten Kanäle dieser unteren Reihe wird mit Magentatinte versorgt.
Da sich die oberen Enden der unteren versetzten Kanäle und die unteren Enden der oberen versetzten Kanäle von Fig. 11 überlappen, werden die Düsen/Auslässe der Tintenstrahldruckköpfe dieser Konstruktion (Fig. 13) mit überlappenden Tintenfarben versorgt. D.h. benachbarte Düsen/Auslässe in der linken Reihe der Düsen/Auslässe in Fig. 13 werden jeweils mit einer unterschiedlichen Tintenfarbe versorgt. Dies erleichtert das Farbdrucken, da der Vertikalabstand zwischen den Düsen/Auslässen einer bestimmten Tintenfarbe wenigstens zwei Adressen auseinanderliegt. Die Verteilung und Tintenzufuhranordnungen können leicht modifiziert werden, um die Überlappungsanordnung der Düsen-/Auslaßfarben wunschgemäß zu ändern.
Fig. 4 zeigt daher einen kompakten, leicht herstellbaren und vorteilhaften Tintenstrahldruckkopf, der gemäß der vorliegenden Erfindung so konstruiert werden kann, daß er weniger anfällig für gerichtete Diffusion ist und daher für längere Zeit kontinuierlich und zuverlässig arbeiten kann.
Ein Beispiel für ein durch einen elektronischen Treiber (Spannungsquelle 37 in Fig. 1) erzeugtes Treibersignal zur Steuerung von Tintenstrahldruckköpfen 9, für das eine akustische Treiberanordnung 33 verwendet wird, ist in Fig. 14 dargestellt. Ein bevorzugtes modifiziertes Treibersignal zur Verwendung für die vorliegende Erfindung ist in Fig. 15 gezeigt. Die Treibersignale der Figuren 14 und 15 werden in der US-Patentanmeldung 07/665,615 mit dem Titel "Method of Operating an Ink Jet to Reduce Print Quality Degradation Resulting from Rectified Diffusion" diskutiert, auf die hier in vollem Umfang Bezug genommen wird.
Das Treibersignal nach Fig. 14 ist ein bipolarer elektrischer Impuls 100 mit einer Nachfüllimpuls-Komponente 102 und einer Ausstoßimpuls-Komponente 104. Eine bevorzugte Ausführung des Treibersignals ist aus einem bipolaren elektrischen Signal 100 mit Nachfüll- und Ausstoßimpuls-Komponenten 102, 104 gebildet, die um eine Nullspannungsamplitude variieren) die während der Wartedauer 106 beibehalten wird. Das Treibersignal kann außerdem Impulskomponenten 102, 104 gegensätzlicher relativer Polarität enthalten, welche um eine positive oder eine negative Referenzspannungsamplitude variieren, die während einer Warteperiode 106 beibehalten wird.
Beim Betrieb des Tintenstrahldruckkopfes 9 unter Verwendung des oben beschriebenen Treibersignals expandiert die Tintendruckkammer 22 bei Aufbringung einer Nachfüllimpuls-Komponente 102 und zieht Tinte aus einer Tintenquelle 11 in die Tintendruckkammer 22, um die Tintendruckkammer 22 wieder zu befüllen, nachdem ein Tropfen ausgestoßen wurde. Da die Spannung am Ende der Nachfüllimpuls-Komponente 102 gegen Null abfällt, beginnt die Tintendruckkammer 22 zu kontraktieren und bewegt den Tintenmeniskus nach vorne zur Tintenmündung 93 (Fig. 3) in Richtung auf die Düse/den Auslaß 14. Während der Wartedauer 106 bewegt sich der Tintenmeniskus weiter in Richtung Düse/Auslaß 14. Nach Aufbringen der Ausstoßimpuls-Komponente 104 zieht sich die Tintendruckkammer 22 schnell zusammen, um das Ausstoßen eines Tintentropfens zu bewirken. Nach dem Ausstoßen des Tintentropfens wird der Tintenmeniskus noch einmal in die Tintenöffnung 93 weg von der Düse/dem Auslaß 14 zurückgezogen, weil die Nachfüllimpuls-Komponente 102 aufgebracht wurde.
Die Zeitdauer der Nachfüllimpuls-Komponente 102, einschließlich Anstiegs- und Abfallzeiten, ist geringer als die Zeit, die erforderlich ist, damit der Tintenmeniskus zum Ausstoß eines Tintentropfens auf eine Position neben der Düse 14 zurückkehrt. Typischerweise ist die Zeitdauer der Nachfüllimpuls- Komponente 102 einschließlich Anstiegs- und Abfallzeit geringer als 1/2 der Zeitdauer, die zur Resonanzfrequenz des Tintenmeniskus gehört. Vorzugsweise ist diese Zeitdauer kleiner als etwa 1/5 der Zeitdauer, die der Resonanzfrequenz des Tintenmeniskus zugeordnet ist. Die Resonanzfrequenz des Tintenmeniskus in einer Öffnung eines Tintenstrahldruckkopfes kann leicht aus den Eigenschaften der Tinte sowie dem Tintenvolumen innerhalb des Tintenstrahldruckkopfes und den Öffnungsabmessungen auf bekannte Weise errechnet werden.
Wenn die Warteperiode 106, "B" sich vergrößert, bewegt sich der Tintenmeniskus näher zur Düse 14, wenn die Ausstoßimpuls-Komponente 104 aufgebracht wird. Allgemein sind die Zeitdauer der Warteperiode 106 und der Ausstoßimpuls-Komponente 104 einschließlich Anstiegs- und Abfallzeit der Ausstoßimpuls-Komponente 104 geringer als etwa 1/2 der Zeitdauer, die der Resonanzfrequenz des Tintenmeniskus zugeordnet ist.
Ein sich aus Impulsen der in Fig. 14 gezeigten Art zusammensetzendes Treibersignal wird wiederholt aufgebracht, um den Ausstoß von Tintentropfen zu bewirken. Zur Bildung jedes Tropfens können ein oder mehrere Impulse aufgebracht werden. In einer bevorzugten Anordnung wird jedoch wenigstens ein solches zusammengesetztes Treibersignal für jeden Tropfen gebildet. Zusätzlich wird die Zeitdauer der Warteperiode 106 typischweise so gesetzt, daß der Tintenmeniskus in der Tintenöffnung 93 im wesentlichen zur gleichen Stelle innerhalb der Öffnung 93 vorrücken kann, bevor durch die Kontraktion der Tintendruckkammer 22 ein Tropfen ausgestoßen wird. Durch Positionieren des Tintenmeniskus an der im wesentlichen gleichen Stelle vor der Aufbringung des Druckimpulses 104 wird die Gleichmäßigkeit der Tropfenflugzeit zum Printmedium über einen weiten Bereich von Tropfenausstoßraten verbessert.
Vorzugsweise hat der Tintenmeniskus auch eine verbleibende Vorwärtsgeschwindigkeit in der Tintenöffnung 93 gegen die Düse/den Auslaß 14, wenn der Druckimpuls aufgrund der Ausstoßimpuls-Komponente 104 von Fig. 14 ankommt. Unter diesen Bedingungen wächst die aus dem Tintenstrahldruckkopf 9 ausgestoßene Flüssigkeit gut zu einem Tropfen zusammen, wodurch die Bildung von Satellitentropfen minimiert wird. Der Tintenmeniskus sollte nicht über die Düsen/den Auslaß 14 hinaus wandern.
Exemplarische Zeitdauern der verschiedenen Impulskomponenten zum Erreichen einer hohen Druckqualität und hoher Druckgeschwindigkeiten sind 5 Mikrosekunden für den "A"-Teil der Nachfüllimpuls-Komponente 102, mit Anstiegs- und Abfallzeiten von jeweils 1 Mikrosekunde und 3 Mikrosekunden; eine Zeitdauer der Warteperiode 106 "B," von 15 Mikrosekunden; und eine Ausstoßimpuls-Komponente 104 mit einem "C"-Teil von 5 Mikrosekunden und mit Anstiegs- und Abfallzeiten ähnlich denen der Nachfüllimpuls-Komponente 102.
Fig. 15 zeigt ein bevorzugtes modifiziertes Treibersignal, das in der Ausführung der vorliegenden Erfindung nützlich ist. Dieses modifizierte Treibersignal bringt Druck unterhalb dem Umgebung auf die Tinte in Größen auf, die geringer als der Grenzwert für das Auftreten der gerichteten Diffusion ist. Entweder die Nachfüllimpuls-Komponente 102 oder die Ausstoßimpuls- Komponente 104, und vorzugsweise beide, eines bevorzugten modifizierten Treibersignals ergeben größere Zeitdauern bei ihren entsprechenden Spannungsgrößen, wobei die Größen auch vorzugsweise verringert sind. Ferner wird eine, vorzugsweise beide, Anstiegs- und Abfallzeit der Impulskomponenten 102 und 104 ausgedehnt. Die Größe der Spannung der Wiederfüllimpuls- Komponente 102 wird im Hinblick auf die Größe der Ausstoßimpuls-Komponente 104 reduziert.
Bei hohen Tropfenwiederholungsraten kann jedoch ein höherer Fließwiderstand dazu führen, daß die modifizierte Nachfüllimpuls-Komponente 102 die Druckkammer 22 nicht vollkommen befüllen kann. Bei diesen Bedingungen liegt das Verhältnis der Spannungsgröße der Nachfüllimpuls- Komponente 102 zur Spannungsgröße der Ausstoßimpuls-Komponente 104, das Längenverhältnis, daher bevorzugt zwischen 1,15 und etwa 1,3.
Das Treibersignal von Fig. 15 zeigt eine Spannungsgröße der Nachfüllimpuls-Komponente 102, die etwa 1,4 mal so groß ist wie die Spannungsgröße der Ausstoßimpuls-Komponente 104. Die Spannungsgröße der Nachfüllimpuls-Komponente 102 beträgt etwa 50% der des unmodifizierten Treibersignals für den gleichen akustischen Treiber. Das modifizierte bevorzugte Treibersignal gemäß Fig. 15 ergibt größere Zeitdauern für die Impulskomponenten 102, 104 an den jeweiligen Spannungsamplituden sowie Anstiegs- und Abfallzeiten von etwa 2 mal der Zeitdauer im Verhältnis zu denen eines unmodifizierten Treibersignals für den gleichen akustischen Treiber.
Schließlich ist die vorliegende Erfindung für Tintenstrahldruckköpfe 9 bei Verwendung einer großem Variationsbreite von Tinten einsetzbar. Es können bei Raumtemperatur flüssige Tinten sowie Phasenwechsel-Tinten, die bei Raumtemperatur fest sind, verwendet werden. Ein Beispiel für eine geeignete Phasenwechseltinte ist in dem US-Patent 4,889,560 vom 16.12.1989 mit dem Titel "Phase Change Ink Carrier Composition and Phase Change Ink Produced Therefrom" beschrieben.
Während diese Erfindung in der vorangehenden Beschreibung anhand spezieller bevorzugter Ausführungsformen dargestellt wurde und zur Veranschaulichung viele Details der Darstellung angegeben wurden, ist es für den Fachmann offensichtlich, daß weitere Ausführungsformen der Erfindung möglich sind, und daß einige der hier beschriebenen Details beträchtlich variiert werden können, ohne die Grundprinzipien der Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Tropfen-bei-Bedarf-Tintenstrahldruckkopf (9) mit einer regelmäßigen Anordnung von Tintendüsen (14) zur Aufnahme von Tinte aus einer Tintenzufuhr (11) und zum Auswerfen von Tintentropfen auf ein Druckmedium und einer Vielzahl von Antriebselementen (33), wovon jedes eine tintekontaktierende, druckerzeugende Antriebsoberfläche umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einige der Antriebsoberflächen geglättete Antriebsoberflächen mit verminderter Oberflächenfehlerdichte bezogen auf die Oberflächen in ungeglättetem Zustand sind, wodurch der Druckkopf (9) einen verlängerten Betrieb, der im wesentlichen frei von Druckqualitätsverlust, resultierend aus Feinstverteilung ist, aushält.

2. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 1, worin die geglätteten Antriebsoberflächen (34b) elektrolytisch polierte Antriebsoberflächen sind.

3. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 1 oder 2, worin die geglätteten Antriebsoberflächen (34b) Teil eines Diaphragmas eines Piezokeramik/Diaphragma-Antriebsmechanismus sind.

4. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 3, worin das Diaphragma aus Edelstahl hergestellt ist.

5. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 3 oder 4, worin das Diaphragma durch einen Abtragen von Oberflächenmaterialien in einer Dicke im Bereich von 1 bis 6 µm hergestellt ist, wobei die Materialien durch elektrolytisches Polieren entfernt werden.

6. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 3 oder 4, worin das Diaphragma eine Dicke im Bereich von 1 Milli-Inch bis 10 Milli- Inch besitzt.

7. Tintenstrahldruckkopf nach jedem der Ansprüche 3 bis 6, worin der Piezokeramik/Diaphragma-Antriebsmechanismus von runder, hexagonaler oder rechteckiger Form ist und im Biegemodus arbeitet.

8. Tintenstrahldruckkopf nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Vielzahl von Antriebselementen (33) sechsundneunzig Piezokeramik/Diaphragma-Antriebsmechanismen umfassen.