DE69612315T2

DE69612315T2 - Hochleistungstintenstrahlschreibkopf

Info

Publication number: DE69612315T2
Application number: DE69612315T
Authority: DE
Inventors: Sharon S. Berger; Ronald F. Burr; David A. Tence; William H. Tomison
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1995-01-13
Filing date: 1996-01-15
Publication date: 2001-09-13
Anticipated expiration: 2016-01-16
Also published as: EP0726151B1; JP3196631B2; DE69612315D1; EP0726151A2; EP0726151A3; JPH08238769A; US5907338A

Description

Diese Erfindung betrifft Tintenstrahldruckköpfe mit Tropfenbildung auf Anforderung und betrifft insbesondere einen Hochleistungsdruckkopf mit Druckvorlagen- bzw. Dokumentenbreite in mehreren Arrays mit Tintenstrahlelementen, die hinsichtlich der Spülreinigung, der Strahlgleichförmigkeit und einer hohen Tropfenauswurfrate optimiert sind.
Es gibt gut bekannte Vorrichtungen und Verfahren zum Implementieren von Tintenstrahldruckköpfen mit mehreren Öffnungen bzw. Auslassöffnungen oder Düsen mit Tropfenbildung auf Anforderung. Im Allgemeinen funktioniert jedes Tintenstrahlelement eines Tintenstrahlarraydruckkopfes mit Mehrfachöffnungen und Tropfenbildung auf Anforderung derart, dass Tinte in einer Tintendruckkammer verschoben wird und anschließend Tintentropfen aus einer entsprechenden Öffnung ausgeworfen werden. Tinte wird aus einer gemeinsamen Tintenzufuhrsammelleitung mittels eines Tinteneinlasses zu der Tintendruckkammer zugeführt. Ein Antriebsmechanismus wird verwendet, um die Tinte in der Tintendruckkammer auszulenken. Der Antriebsmechanismus umfasst typischerweise einen Wandler (beispielsweise ein piezokeramisches Material), der mit einer dünnen Membran verbunden ist. Wenn dem Wandler eine Spannung zugeführt wird, verschiebt dieser die Tinte in der Tintendruckkammer, wodurch bewirkt wird, dass die Tinte durch den Einlass aus der Tintensammelleitung in die Tintendruckkammer strömt und über einen Auslass und eine Durchführung in die Öffnung. Wünschenswerterweise wird eine Geometrie verwendet, die es erlaubt, dass die mehreren Öffnungen in einem dicht gepackten Array angeordnet sind. Geeignetes Anordnen der Sammelleitungen, der Einlässe, der Druckkammern und der Fluidverbindungen der Kammern zu den entsprechenden Öffnungen ist keine einfache Aufgabe, insbesondere, wenn nach kompakten Tintenstrahlarraydruckköpfen gesucht wird. Nicht korrekte Entscheidungen bei der Gestaltung, selbst in kleinen Details, können zu einem ungleichförmigen Strahlbetrieb führen.
Eine gleichförmige Strahlleistung wird im Allgemeinen dadurch erreicht, dass diverse Merkmale jedes Tintenstrahlarraykanals im Wesentlichen identisch ausgeführt werden. Eine gleichmäßige Strahlbildung hängt ebenfalls davon ab, dass jeder Kanal frei von Luft, Kontaminationsstoffen, und intern erzeugten Gasblasen ist, die sich im Druckkopf bilden und die Strahlformung stören können. Daher müssen die diversen Merkmale des Mehrfachöffnungsdruckkopfes für eine effiziente Reinigungsspülung entsprechend gestaltet sein.
Beispielsweise beschreibt US-Patent Nr. 4,730,197, am 8. März 1988 mit dem Titel IMPULSE INK JET SYSTEM erteilt, einen Tintenstrahlarraydruckkopf mit zwei parallelen Reihen im Allgemeinen rechtwinkliger Tintendruckkammern, die so positioniert sind, dass ihre Mittelpunkte ausgerichtet sind. Jede Tintenstrahlöffnung eines linearen Arrays ist mit einer entsprechenden Tintendruckkammer verbunden. Die Mittelachse jeder Öffnung erstreckt sich senkrecht zu der Ebene, die die Tintendruckkammern enthalten und schneidet eine Verlängerung der Tintendruckkammer. Eine Tintensammelleitung mit im Wesentlichen gleichförmiger Querschnittsfläche liefert die Tinte zu jeder der Kammern mittels einer Begrenzungsöffnung, die so wirkt, um das akustische Übersprechen zwischen benachbarten Kanälen des Mehrfachöffnungsarrays zu minimieren. Derartige Eingrenzungen fangen jedoch oft Blasen ein und erfordern ein häufiges Spülen. Ebenso beschrieben wird die Wirkung von Druckkammerresonanzen auf die Strahlgleichförmigkeit und die Verwendung von Dummy-Kanälen und Strukturen mit nachgiebigen Wänden, um das von reflektierten Wellen induzierte Übersprechen in einem Tintenstrahldruckkopf mit 36 Öffnungen zu verringern.
Ein effektives Spülen hängt von einer relativ hohen Tintendurchflussrate durch die diversen Strukturen eines Tintenstrahldruckkopfes ab, um Gasbläschen und Kontaminationsstoffe abzutransportieren. Die Tintendurchflussrate an den diversen Stellen in einer Tintensammelleitung hängt von der Anzahl der stromabwärts liegenden Öffnungskanäle, die gespült werden, und der Querschnittsfläche der Sammelleitung ab. Die Durchflussrate ist daher am Stromaufwärtsende der Sammelleitung größer als am Stromabwärtsende, wo lediglich ein einziger Öffnungskanal Tinte ansaugt. Daher ist die Tintendurchflussrate am Stromabwärtsende der Sammelleitung nicht ausreichend, um dort befindliche Gasbläschen und Kontaminationsstoffe zu entfernen.
Auf einige Probleme hinsichtlich der Tintendurchflussrate und der Ungleichförmigkeit wird in der US-Patentschrift 4,367,480, die am 4. Januar 1983 unter dem Titel HEAD DEVICE FOR INK JET PRINTER erteilt wurde, eingegangen, worin ein Mehrfachöffnungs-Tintenstrahldruckkopf mit gleichförmigen Strukturgrößen in jedem Öffnungskanal und eine Tintensammelleitung mit einer nicht gleichförmigen Querschnittsfläche, die eine erhöhte Durchflussrate an deren stromabwärtigen Ende bereitstellt, beschrieben ist. Die Sammelleitung ist jedoch so gestaltet, dass Strömungsstillstandsgebiete dennoch Gasblasen oder Kontaminationsstoffe einfangen können. Der Druckkopf umfasst ferner eine schlangenförmige Tinteneinlassanordnung, die ein gleichmäßiges akustisches Betriebsverhalten zwischen den Öffnungskanälen liefert und eine Tintenzuführsammelleitung mit Tinteneinlässen an beiden Enden bereitstellt. Eine derartige Anordnung sorgt für eine hohe Tintendurchflussrate in einem Tinteneinlass, durch die Sammelleitung hindurch und aus dem anderen Einlass (Querstromspülen) heraus, so dass Kontaminationsstoffe oder Gasblasen aus der Tintensammelleitung aber nicht aus den diversen Strukturen jedes Öffnungskanals entfernt werden.
Die Druckgeschwindigkeit und die Strahlgleichförmigkeit werden in dem US-Patent 5,087,930, das am 11. Februar 1992 unter dem Titel DROP-ON-DEMAND INK JET PRINT HEAD dem Inhaber dieser Anmeldung erteilt wurde, angesprochen, worin ein kompakter 96-Öffnungs-Tintenstrahldruckkopf mit akustisch gleichförmigen inneren Strukturen beschrieben ist. Der Druckkopf ist aus laminierten Platten aufgebaut, die zusammen entsprechende Arrays aus Tintensammelleitungen, Membranen, Tintendruckkammern, Tinteneinlässe, Verschiebungskanäle und Öffnungen bilden. Spezielle Platten bilden ebenfalls Sammelleitungen für schwarze, gelbe, Magenta- und Cyantinte, die in der Draufsicht über und unter anderen internen Tintenstrahlstrukturen verteilt sind. Insbesondere die in Höhenrichtung tieferliegenden Sammelleitungen sind mit dem oberen Sammelleitungen mittels Tintenkommunikationskanälen verbunden. Unglücklicherweise können während Perioden des Nichtdruckens schwimmfähige Gasblasen in einem oberen Bogen des Tintenkommunikationskanals eingefangen werden, und beim Drucken ist die Tintendurchflussrate nicht ausreichend, um die Gasblasen durch einen der Tintenzuflusskanäle des Druckkopfes herauszuspülen. Während des Spülens wird ein Tintenstrom mit erhöhter Geschwindigkeit durch die Sammelleitungen und die Tintenzuführkanäle hervorgerufen, wodurch bewirkt wird, dass die Gasblasen in Richtung des stromabwärtigen Endes der oberen Sammelleitung bewegt werden, wo diese ungünstigerweise in einem Stillstandsgebiet eingefangen werden.
Eingefangene Gasblasen sind ein besonders ernstzunehmendes Problem, da jede Gasblase eine Resonanzfrequenz besitzt, die so wirkt, dass das Übersprechen zwischen Tintenstrahlkanälen vergrößert wird, wann immer ein Tintenöffnungskanal Tintentropfen mit einer Rate in der Nähe der Resonanzfrequenz der Gasblase auswirft. Ferner wird bei gewissen Tintentropfenauswurfraten ausreichend Energie übertragen, um zu bewirken, dass die Gasblase anwächst und letztlich verhindert, dass das entsprechende Tintenstrahlelement funktionsfähig ist.
Einige Lösungen zum Einfangen von Gasblasen sind in der US-Patentanmeldung mit der Nr. 08/056,346 angesprochen (entsprechende europäische Patentanmeldungsnr. 94 303185.6).
Es ist ein 124-Öffnungs-Tintenstrahldruckkopf beschrieben, in dem die Sammelleitungen sich verjüngen, um Strömungsstillstandsgebiete zu vermeiden. Ferner sind sämtliche Sammelleitungen und Tintenzuführkanäle in der Höhenrichtung nach oben gebogen und umfassen Einlasskanalanschlüsse, die entlang den oberen Rändern der Sammelleitungen verteilt sind, so dass das Schwimmen von Gasblasen bewirkt, dass diese in den Sammelleitungen nach oben treiben und in einfacher Weise in einen Tintenzuführkanal gespült werden. Ferner minimiert das Verjüngen und die Dimensionierung der Sammelleitungen und anderer interner Tintenstrahlstrukturen das Übersprechen und resonanzinduzierte Strahlungleichmäßigkeiten. Selbst mit 124 Öffnungen benötigt ein Drucker mit diesem Druckkopf dennoch zwei Minuten, um einen Farbdruck zu erstellen.
Eine Lösung des Problems der Druckgeschwindigkeit wird in US-Patent 4,538,156, das am 27. August 1985 mit dem Titel INK JET-PRINTER erteilt wurde, angesprochen, worin ein Tintenstrahlbildübertragungsdrucker beschrieben ist, der einen Druckkopf mit Druckvorlagenbreite verwendet, der bilderzeugende Tintentropfen direkt auf eine sich schnelldrehende Trommel auswirft. Der vorlagenbreite Druckkopf verwendet ein lineares Array mit Tintenstrahlöffnungen, die 0.254 Millimeter (0,1 Inch) beanstandet sind, um ein Bild mit einer Auflösung von 79 Punkte pro Zentimeter (200 Punkte pro Inch) auf der Trommel während 20 aufeinanderfolgender Umdrehungen, wobei während dieser Zeit der Druckkopf seitwärts bewegt wird, zu drucken. Nachdem die Trommel das Bild empfangen hat, wird ein Druckmedium unter Berührung der Trommel über diese gerollt, um das Bild von der Trommel auf das Druckmedium zu übertragen. Ein derartiges Transferdrucken ist aufgrund einer relativ hohen Druckgeschwindigkeit, Unempfindlichkeit für die Dicke des Druckmediums, und einem vereinfachten "Papierdurchzugspfad" vorteilhaft. Der oben beschrieben Drucker kann jedoch keine Farbdrucke erstellen und der Öffnungsabstand des Druckkopfes kann eine Druckerauflösung von 118 Punkten pro Zentimeter (300 Punkte pro Inch) oder besser unterstützen. Die europäische Patentanmeldung EP 573256A2 offenbart einen Tintenstrahldruckkopf mit Tropfenbildung auf Anforderung mit einem Array dicht beabstandeter Düsen, die mit Tinte aus Tintendruckkammern beliefert werden. Die europäische Patentanmeldung EP 5510103A2 offenbart einen Druckkopf für eine Tintenstrahlaufzeichnungsvorrichtung.
Trotz der zahlreichen bestehenden Ausführungsformen für Tintenstrahlköpfe mit vielen Öffnungen besteht dennoch ein Bedarf für einen industriell herstellbaren, spülbaren, Tintenstrahldruckkopf, der mehrere hochqualitative Farbdrucke mit hoher Auflösungen pro Minute erstellen kann.
Wie aus der folgenden Beschreibung mit Bezug zu den Zeichnungen hervorgeht, stellt die Erfindung eine Hochgeschwindigkeits-, Hochauflösungs-Vorlagenbreitefarbtintenstrahldruckvorrichtung bereit. Ebenfalls offenkundig wird, dass die Erfindung einen Tintenstrahldruckkopf mit einer Anordnung interner Strukturen und einer Dimensionierung bereitstellt, die eine ausgezeichnete Spülfähigkeit und gleichförmige Strahlbildungseigenschaften zur Folge haben.
Ferner wird offenkundig, dass die Erfindung ein weit entwickeltes, relativ kostengünstiges und wiederholbares Verfahren zum Herstellen des Tintenstrahldruckkopfes bereitstellt.
Die vorliegende Erfindung stellt daher einen Tintenstrahlarraydruckkopf bereit, der vier vorlagenbreite Tintenstrahlarrays zum Drucken von Vollfarbenbildern umfasst. Tinte strömt aus vier Tintensammelleitungen durch akustisch übereinstimmende Sätze von Einlassfiltern, Einlassanschlüssen, Einlasskanälen, Druckkammeranschlüssen und Tintendruckkammern. Die Tinte verlässt die Druckkammer mittels Ausgangsanschlüsse und strömt durch ovale Auslasskanäle zu Öffnungen, aus denen Tintentropfen ausgeworfen werden. Die Tintendruckkammern sind durch flexible Membranen begrenzt, die mit piezokeramischen Wandlern verbunden sind. Um das Übersprechen zwischen Strahlen, das durch Druckänderungen in den Sammelleitungen bewirkt wird, zu minimieren, ist eine nachgiebige Wand entlang der gesamten Länge jeder Sammelleitung ausgebildet. Ein Tintenzufuhrsystem liefert vier Farbtinten zu dem Druckkopf. Phasenübergangstinten werden geschmolzen und in Tintenauffangbecken abgeschieden, in Tintenvorratssammelleitungen eingeleitet und zum Druckkopf durch gestapelte Tintenzuführleitungen zugeführt. Das Verjüngen der Sammelleitung, die Positionierung der Einlassanschlüsse und eine in Höhenrichtung nach oben gerichtete Neigung der gestapelten Tintenzuführen verbessern die Spülbarkeit des Tintenzuführsystems und des Tintenstrahfdruckkopfs.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung mittels Beispielen und mittels einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben, wobei auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen wird; es zeigen:
Fig. 1 eine vergrößerte schematische Querschnittsansicht eines von einem beispielhaften piezokeramischen Wandler angetriebenen Tintenstrahlelements mit einer Plattenstapel-Anordnung von inneren Strukturen, die für die Anwendung in einem Tintenstrahlarraydruckkopf dieser Erfindung geeignet ist;
Fig. 2 eine vergrößerte schematische Querschnittansicht eines bevorzugten erfindungsgemäßen Tintenstrahlarraydruckkopfes, wobei eine Plattenstapel- Anordnung zweier von einem piezokeramischen Wandler hervorgerufener Tintenstrahlelemente gezeigt ist, die zum Auswerfen unterschiedlich farbiger Tintentropfen geeignet ist.
Fig. 3 eine vergrößerte schematische Draufsicht auf einen Teil des Druckkopfes aus Fig. 2, wobei die relative räumliche Anordnung der inneren Strukturen acht benachbarter, von einem piezokeramischen Wandler angetriebener Tintenstrahlelemente gezeigt ist;
Fig. 4 eine vergrößerte Schrägansicht eines erfindungsgemäßen ovalen Auslasses, wobei Plattenschichtöffnungen gezeigt sind, die einen Auslassanschlussbereich, einen Auslasskanalbereich und einen Übergangsgebietsbereich davon bilden;
Fig. 5 eine Draufsicht, die eine bevorzugte Membranplatte dieser Erfindung zeigt;
Fig. 6 eine Draufsicht, die eine bevorzugte Substratplatte dieser Erfindung zeigt;
Fig. 7 eine Draufsicht, die eine erfindungsgemäße bevorzugte Separatorplatte zeigt;
Fig. 8 eine Draufsicht, die eine erfindungsgemäße bevorzugte Einlasskanalplatte zeigt;
Fig. 9 eine Draufsicht, die eine erfindungsgemäße bevorzugte Separatorplatte zeigt;
Fig. 10 eine Draufsicht, die eine erfindungsgemäße bevorzugte Filterplatte zeigt;
Fig. 11-16 Draufsichten, die einen Satz bevorzugter Sammelleitungsplatten dieser Erfindung zeigen;
Fig. 17 eine Draufsicht, die eine erfindungsgemäße bevorzugte nachgiebige Wandplatte zeigt;
Fig. 18 eine Draufsicht, die eine erfindungsgemäße bevorzugte Öffnungsstrebenplatte zeigt;
Fig. 19 eine Draufsicht, die eine bevorzugte Öffnungsplatte dieser Erfindung zeigt;
Fig. 20 eine vergrößerte schematische isometrische Ansicht vierer benachbarter Tintenstrahlelemente dieser Erfindung, die teilweise ausgeschnitten dargestellt sind, um Details der Tintenzuführung und der Tintensammelleitungsgestaltung zu zeigen;
Fig. 21 eine vergrößerte schematische Draufsicht von Teilen der erfindungsgemäßen Sammelleitungen, die einen Plattenstapelartigen Aufbau aufweist, und verwendet wird, um sich im Querschnitt verjüngende Sammelleitungsbereiche zu bilden;
Fig. 22 eine schematische isometrische Ansicht eines erfindungsgemäßen Tintenzuführsystems, wobei ein Tintensammelbecken, Zuführsammelleitungen und gestapelte Tintenzuführungen gezeigt sind; und
Fig. 23 eine grafische Darstellung bei einer Stahlfrequenz von 11 Kilohertz, die in der vorliegenden Erfindung verwendbar ist, wobei das Spannungsverhältnis in Abhängigkeit der Zeit mit einer typischen Spannung von 25 Volt und einem Spannungsverhältnis von -0.3 ±0.01 aufgetragen ist.
Ein Transferdruckverfahren und Tintenzusammensetzungen, die für die Anwendung in dieser Erfindung geeignet sind, sind in der US-Patentanmeldung 07/981,646, "Abbildungsprozess", und in 07/981,677 (entsprechende europäische Patentanmeldungsnr. 93 309426.0 und 93 309424.5) beschrieben.
Fig. 1 zeigt im Querschnitt ein beispielhaftes einzelnes Tintenstrahlelement 10, das geeignet ist für eine Verwendung in einem Farbtintenstrahlarraydruckkopf mit hoher Auflösung gemäß dieser Erfindung. Das Tintenstrahlelement besitzt ein Gehäuse, das eine Tintensammelleitung 12 definiert, durch die Tinte zu dem Tintenstrahldruckkopf geliefert wird. Das Gehäuse definiert ferner eine tintentropfenformende Öffnung 14 zusammen mit einem Tintenströmungspfad von der Tintensammelleitung 12 zur Öffnung 14. Im Wesentlichen umfasst der Tintenstrahldruckkopf vorzugsweise ein Array mit Öffnungen 14, die dicht zueinander angeordnet und zum Auswerfen von Tintentropfen auf ein bildempfangendes Medium (nicht gezeigt), etwa ein Papierblatt oder eine Transfertrommel verwendet werden.
Ein typischer Tintenstrahldruckkopf besitzt zumindest vier Sammelleitungen zum Aufnehmen von schwarz ("K"), cyan ("C"), magenta ("M") und gelb ("Y") Tinte zur Verwendung beim subtraktiven Drucken mit Schwarz und drei Farben. (Im Folgenden werden Bezugszeichen, die sich auf eine spezielle farbetragende Tintenstrahlstruktur beziehen einen geeigneten Erkennungszusatz aufweisen, beispielsweise Sammelleitung 12K, und Strukturen werden kollektiv oder im Allgemeinen ohne einen Zusatz, beispielsweise Sammelleitung 12, bezeichnet). Die Anzahl derartiger Sammelleitungen kann variiert werden, abhängig davon, ob ein Drucker so ausgestaltet ist, um lediglich mit schwarzer Tinte oder mit weniger als dem gesamten Farbbereich zu drucken. Tinte strömt von der Sammelleitung 12 durch einen Einlassanschluss 16, einen Einlasskanal 18, einen Druckkammeranschluss 20, in eine Tintendruckkammer 22. Die Tinte verlässt die Druckkammer 22 mittels eines Auslassanschlusses 24 und strömt durch einen Auslasskanal 28 zu einer Düse 14, von der Tintentropfen ausgeworfen werden. Alternativ kann ein Offset-Kanal zwischen der Druckkammer 22 und der Öffnung 14 hinzugefügt werden, um speziellen Tintenstrahlanwendungen zu genügen.
Die Tintendruckkammer 22 wird auf einer Seite von einer flexiblen Membran 30 begrenzt. Ein elektromechanischer Wandler 32, etwa ein piezokeramischer Wandler, ist an der Membran 30 mittels eines geeigneten Haftmittels angebracht und liegt über der Tintendruckkammer 22. Nach konventioneller Weise besitzt der Wandler 32 Metallfilmschichten 34, an die ein elektronischer Wandlertreiber 36 elektrisch angeschlossen ist. Obwohl andere Arten von Wandlern verwendet werden können, wird der Wandler 32 in der gebogenen Betriebsweise betrieben, so dass, wenn eine Spannung über die Metallfilmschichten 34 angelegt wird, der Wandler 32 versucht, seine Abmessungen zu ändern. Da dieser jedoch fest und in starrer Weise mit der Membran verbunden ist, biegt sich der Wandler 32 und deformiert die Membran 30, um damit Tinte in der Tintendruckkammer 22 zu verschieben, wodurch eine nach außen gerichtete Strömung der Tinte durch den Auslassanschluss 24 und den Auslasskanal 28 zur Öffnung 14 verursacht wird. Das Wiederbefüllen der Tintendruckkammer 22 nach dem Auswurf eines Tintentropfens wird durch den Flüssigkeitsspiegel der Öffnung bzw. den Öffnungsmeniskus, durch das umgekehrte Biegen des Wandlers 32 und die gegenläufige Bewegung der Membrane 30 unterstützt.
Um die Herstellung eines Tintenstrahlarraydruckkopfes, der mit der vorliegenden Erfindung verwendbar ist, zu erleichtern, ist das Tintenstrahlelement 10 vorzugsweise aus mehreren laminierten Platten oder Schichten, etwa aus rostfreiem Stahl, gebildet. Diese Schichten sind in überlagerter Weise gestapelt. In der in Fig. 1 dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsform umfassen diese Schichten oder Platten eine Membranplatte 40, die die Membran 30 und einen Teil der Sammelleitung 12 bildet; eine Tintendruckkammerplatte 42, die die Tintendruckkammer 22 und einen Teil der Sammelleitung 12 definiert; eine Einlasskanalplatte 46, die den Einlasskanal 18 und den Auslassanschluss 24 definiert; eine Auslassplatte 54, die den Auslasskanal 28 definiert; und eine Öffnungsplatte 56, die die Öffnung 14 des Tintenstrahlelements 10 definiert.
Es können mehr oder weniger Platten als dargestellt verwendet werden, um die diversen Tintenströmungsdurchführungen, Sammelleitungen und Druckkammern des Tintenstrahldruckkopfes zu definieren. Beispielsweise können mehrere Platten anstelle der einzelnen in Fig. 1 dargestellten Platte verwendet werden, um eine Tintendruckkammer zu definieren. Ferner müssen nicht alle der diversen Strukturen in separaten Schichten oder Metalllagen liegen. Beispielsweise könnten Muster im Fotolack, die als Schablonen für chemisches Ätzen des Metalls (wenn chemisches Ätzen bei der Herstellung angewendet wird) sich auf jeder Seite einer Metallschicht unterscheiden. So könnte als ein detaillierteres Beispiel das Muster für die Tinteneinlasspassage auf einer Seite der Metallschicht angeordnet werden, während das Muster für die Druckkammer auf der anderen Seite angeordnet werden könnte, wobei Vorderseite zu Rückseite ausgerichtet sind. Somit könnten durch sorgfältig gesteuertes Ätzen separate tinteneinlasspassage- und druckkammerenthaltende Schichten in einer einzelnen gemeinsamen Schicht kombiniert werden.
Fig. 2 zeigt als Querschnitt eine bevorzugte Plattenstapelanordnung für den Aufbau von Tintenstrahlelementen 100Y und 100M, die ein repräsentatives Paar bilden, die in einem vorlagenbreiten hochauflösenden Farbtintenstrahlarraydruckkopf 101 dieser Erfindung verwendet wird. Die Tintenstrahlelemente 100 sind in einem Gehäuse ausgebildet, das Tinteneinlassanschlüsse 102Y und 102M, Tintenzuführkanäle 104Y und 104M und Tintensammelleitungen 106Y und 106M, durch die Tinte an die entsprechenden Tintenstrahlelemente 100Y und 100M geliefert wird, definiert. Das Gehäuse definiert ebenfalls tintentropfenbildende Öffnungen 108Y und 108M, von denen Tintentropfen 110Y und 110M über eine Entfernung 112 in Richtung zu einem bildempfangenden Medium 114 ausgeworfen werden.
Im Wesentlichen umfasst der bevorzugte Tintenstrahlarraydruckkopf 101 vier lineare bzw. geradlinige Arrays mit Tintenstrahlelementen 100Y, 100M, 100C und 100K, die eng benachbart sind und zum Auswerfen von Muster aus Tintentropfen 110 in Richtung des bildempfangenden Mediums 114 verwendet werden. Lediglich die Tintenstrahlelemente 100Y und 100M sind gezeigt, aber wenn Fig. 2 um eine Mittellinie 115 (siehe ebenfalls Fig. 3) "gespiegelt" wird, ergibt sich eine Querschnittsanordnung mit vier Tintenstrahlelementen, in der vier Sammelleitungen 106 schwarz, cyan, magenta und gelbe Tinte zur Verwendung von subtraktiven Drucken mit schwarz und drei Farben empfangen.
Wenn eine beliebige Farbe als Beispiel betrachtet wird, so strömt die Tinte von den Sammelleitungen 106 durch Einlassfilter 116, Einlassanschlüsse 117, Einlasskanäle 118 und Druckkammeranschlüsse 120 in die Tintendruckkammern 122. Die Tinte verlässt die Druckkammern 122 mittels der Ausgangsanschlüsse 124 und strömt durch in Querschnitt ovale Auslasskanäle 128 zu den Öffnungen 108, von denen die Tintentropfen 110 ausgeworfen werden.
Die Tintendruckkammern 122 sind auf einer Seite mittels flexibler Membranen 130 begrenzt. Scheibenförmige oder hexagonal geformte, 2.13 Millimeter (0,084 Inch) durchmessende, 0.15 Millimeter (0.006 Inch) dicke Wandler 132 sind an den Membranen 130 mittels geeigneter Haftmittel angebracht, so dass sie über den entsprechenden Tintendruckkammern 122 liegen. Die Wandler 132 besitzen Metallfilmschichten 134, mit denen elektronische Wandlertreiber 36 elektronisch verbunden sind. Die Wandler 132 werden bevorzugt in einem Biegemodus betrieben und werden mittels elektrischer Treibersignale angesteuert, wie es etwa in Fig. 23 für eine 300 Punkte pro Inch-Signalform und in der anhängigen US-Patentanmeldung 08/371,197 (entsprechende europäische Patentanmeldung ..., eingereicht am 11. Januar 1996 unter der Bezeichnung des Vertreter: APEP95063) gezeigt ist, die hiermit insbesondere durch Bezugnahme mit eingeschlossen ist. Die Signalform, die das Auswerfen von Tinte aus den Tintendruckkkammern 122 ansteuert, liefert eine Tropfenmasse von ungefähr 90 bis ungefähr 121 Nanogramm während eines Druckvorgangs mit einer Auflösung von 300 Punkten pro Inch mit einer Tintentropfenflugzeit vom Druckkopf zum Medium zwischen ungefähr 50 bis ungefähr 300 Mikrosekunden über eine Entfernung 112 von ungefähr 15 mil bis ungefähr 30 mil von der Öffnung zur empfangenden Oberfläche. Dies erlaubt für den Druckkopf in der vorliegenden Ausgestaltung einen ständigen zuverlässigen Betrieb unter diversen Betriebsbedingungen. Die Zeitsegmentwerte aus Fig. 23 sind im Folgenden für einen 5 Megahertztakt gezeigt.
Segment Werte (u-Sekunden)
ts1 -24,0
tk1 -21,5
tn1 -19,0
tf1 -4,0
te1 0
ts1 1,0
tk1 3,5
tn1 5,1
tf1 21,0
te1 25,0
Um die Herstellung des bevorzugten Tintenstrahldruckkopfes 101 zu erleichtern, werden die Tinfenstrahlelemente 100 aus mehrfach laminierten Platten oder Schichten, etwa aus rostfreiem Stahl, die in einer überlagerten Weise gestapelt sind, gebildet. Alle Platten sind 0.2 Millimeter (0.008 Inch) dick, sofern nichts anderes spezifiziert ist, und diese werden durch Verwendung relativ kostengünstiger Fotostrukturierungs- und Ätzprozesse hergestellt. Der erfindungsgemäße Druckkopf 101 ist so gestaltet, dass die Justierung von Schicht zu Schicht unkritisch ist. Das heißt, es sind typische Toleranzen adäquat, die in einem chemischen Ätzprozess eingehalten werden können. Die diversen Platten, die den Tintenstrahldruckkopf 101 bilden, können in einer beliebigen Art und Weise ausgerichtet und verbunden werden, einschließlich durch die Anwendung geeigneter mechanischer Befestigungsmittel. Ein bevorzugter Prozess zum Laminieren und Verbinden der Metallplatten ist jedoch in US-Patent 4,883,219, das am 28. November 1989 unter dem Titel "MANUFACTURE OF INK JET PRINT HEADS BY DIFFUSION BON- DING AND BRAZING" erteilt und in Besitz des Anmelders dieser Anmeldung und hiermit durch Bezugnahme mit eingeschlossen ist, beschrieben.
In der erfindungsgemäßen in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform umfassen die Platten eine 0.1 Millimeter (0.004 Inch) dicke Membranplatte 136, die Membranen 130 und Bereiche der Tinteneinlassanschlüsse 102 buldet; eine Gehäuseplatte 138, die die Druckkammern 122 und Bereiche der Tinteneinlassanschlüsse 102 und eine feste Rückwand für die Membranplatte 136 bildet; eine Separatorplatte 140, die die Druckkammeranschlüsse 120 und Bereiche der Tinteneinlassanschlüsse 102 und Auslassanschlüsse 124 bildet; eine 0.1 Millimeter (0.004 Inch) dicke Einlasskanalplatte 142, die Einlasskanäle 118 und Bereiche der Tinteneinlassanschlüsse 102 und Auslassanschlüsse 124 bildet; eine Separatorplatte 144, die Einlassanschlüsse 117 und Bereiche der Tinteneinlassanschlüsse 102 und der Auslassanschlüsse 124 bildet; einen 0.05 Millimeter (0.002 Inch) dicke Filterplatte 145, die Filter 116 und Bereiche der Tinteneinlassanschlüsse 102 und der Auslassanschlüsse 102 und der Auslassanschlüsse 124 bildet; sechs Sammelleitungsplatten 146A bis 146F, die Tintensammelleitungen 106, Tintenzuführkanäle 104, Auslasskanäle 128 und die restlichen Bereiche der Tinteneinlassanschlüsse 102 bilden; eine 0.05 Millimeter (0.002 Inch) dicke Wandplatte 148, die die nachgiebigen Wände 150 für die entsprechenden Tintensammelleitungen 106 und einen Teil des Übergangsgebiets zwischen den entsprechenden Auslasskanälen 128 und den Öffnungen 108, eine Öffnungsstrebenplatte 152, die einen weiteren Bereich der Übergangsgebiete 154 und Luftkammern 156 hinter den entsprechenden nachgiebigen Wänden 150 bildet, formt; und eine 0.064 Millimeter (0.0025 Inch) dicke Öffnungsplatte 158, die die Öffnungen 108 bildet.
Tabelle 1 zeigt bevorzugte Abmessungen für die internen Strukturen der Tintenstrahlelemente 100, die zusammen jedes der Tintenstrahlelemente 100 mit einer Helmholtzresonanzfrequenz von ungefähr 24 Kilohertz versehen. Tabelle 1 Alle Abmessungen in Millimeter
Um eine gleichförmige Stahlbildung sicherzustellen, müssen alle Tintenstrahlelemente 100 im Wesentlichen in identischer Weise funktionieren. Dies wird erreicht, indem die Tintenstrahlelemente so aufgebaut sind, dass alle entsprechenden Strukturmerkmale im Wesentlichen identische strömungstechnische Eigenschaften (d. h. Einlasslänge und Querschnittsfläche, Auslasslänge und Querschnittsfläche, und Öffnungsgröße) und eine im Wesentlichen identische Wandlerkopplungseffizienz (z. B. Druckkammer, Membran und Wandlerabmessungen) aufweisen.
Das Größenverhältnis der Einlasskanäle 118 zu den Auslasskanälen 128 liefert ein entsprechendes Widerstandsverhältnis, das eine hohe Tintentropfenauswurfeffizienz und rasche Nachfüllzeiten des Tintenstrahlelements sicherstellt. Das Größenverhältnis hängt von Querschnitten mit hohem Aspektverhältnis (0.1 Millimeter Dicke bei 0.5 Millimeter Breite) für die Einlasskanäle 118 und einem großen (0.71 Millimeter effektiven Durchmesser) für die Auslasskanäle 128 ab, um den Strömungswiderstand auf der Auslassseite zu minimieren. Der Widerstand der Einlasskanäle 118 wird durch ihre Dicke von 0.1 Millimeter dominiert. Herstellungstoleranzenfehler, die beim Ausbilden der Einlasskanäle 118 auftreten, werden durch deren relativ große Breite von 0.5 Millimeter minimiert.
Tintentropfenauswurfwiederholraten bis zu 20 Kilohertz werden mittels eines hohen Helmholtzmodus-Schwingungsdämpfungsfaktor in Kombination mit einem geringen Wiederbefüllungszeit-Strömungswiderstand ermöglicht.
Die Gesamtgestaltung des Tintenstrahlelements 100 minimiert die Länge der Einlasskanäle 118 und der Auslasskanäle 128, um die entsprechenden Frequenzen der stehenden Welle zu maximieren, und damit jegliche Druckqualitätsbeeinträchtigungen, die typischerweise bei hohen Tropfenauswurfwiederholungsraten auftreten, zu minimieren.
Fig. 3 ist eine Draufsicht, die die relative räumliche Anordnung der internen Strukturen in acht benachbarten repräsentativen Tintenstrahlelementen 100 zeigt. Die räumliche Anordnung kann verstanden werden, wenn ähnlich bezeichnete Merkmale in den Fig. 2 und 3 verglichen werden. Damit ein die vorliegende Erfindung verwendender Tintenstrahldrucker vier Seiten pro Minute druckt, muss jedes Bild auf ein bildempfangendes Medium 114 (Fig. 2) in ungefähr 10 Sekunden übertragen werden. Dies erfordert 352 der Tintenstrahlelemente 100 (88 Tintenstrahlelemente pro Hauptfarbe), wobei jedes Tintentropfen mit einer Wiederholungsrate von näherungsweise 11 Kilohertz auswirft. Die 352 Tintenstrahlelemente sind in vier linearen Arrays angeordnet, die eine Breite von 21,6 Zentimetern (8.5 Inch) überspannen, eine Breite, die ausreichend ist, um ein bildempfangendes Medium mit einer Standardgröße von 8.5 · 11 Inch zu überdecken. Fig. 3 zeigt lediglich acht der 352 Tintenstrahlelemente im Druckkopf 101.
Die Öffnungen 108Y, 108M, und 108C sind vertikal um 24 Pixel beabstandet und die Öffnungen 108C und 108K sind vertikal um 12 Pixel beabstandet. Die Öffnungen 108 in jedem Array sind horizontal durch 28 Pixel beabstandet. Die Öffnungen 108Y, 108M und 108C sind vertikal ausgerichtet und die schwarzen Öffnungen 108K sind horizontal davon um 2 Pixel versetzt. Ein bevorzugter Pixelabstand beträgt 0.085 Millimeter (0.0033 Inch), wodurch eine Druckauflösung von 12 Punkten pro Millimeter (300 pro Inch) unterstützt wird.
Der Druckkopf 101 wird vorzugsweise in einem Tintenstrahltransferdrucker verwendet, in dem die Tintentropfen von einem Druckkopf 101 ausgeworfen und auf einer bildempfangenden rotierenden Trommel abgeschieden werden, die parallel zu und mit geringem Abstand von den Arrays der Öffnungen 108 angeordnet ist. Um ein Bild auf der drehenden Trommel abzuscheiden, lagert jede der Öffnungen 108 eine Spalte mit 12 Punkte pro Millimeter (300 pro Inch) aus Pixeln für jede von 28 aufeinanderfolgenden Trommelumdrehungen ab. Der Druckkopf 101 bewegt sich bei jeder Umdrehung der Trommel seitlich um zwei Pixelpositionen weiter (parallel zur Drehachse der Trommel), so dass ein zusammenhängendes Bild auf der Trommel während der 28 Trommelumdrehungen abgeschieden wird.
Wenn ein Vollfarbenbild mit einer bevorzugten Phasenübergangstinte gedruckt wird, werden Sekundärfarben durch Mischen zweier Hauptfarbentintentropfen vor dem Ausfrieren auf dem bildempfangenden Medium gebildet. Daher sind die Hauptfarbenöffnungen 108Y, 108M und 108C vertikal ausgerichtet, so dass ein zweiter Tintentropfen auf einem ersten Tintentropfen abgeschieden wird, bevor ein vollständiges Aushärten der Tinte eingesetzt hat. Andererseits sind die schwarzen Öffnungen 108K horizontal versetzt, um ein Vermischen der schwarzen Tinte mit den farbigen Tinten zu verhindern.
Wie zuvor beschrieben wurde, hängen die Tropfenauswurfraten von den Auslasskanälen 128 ab, die eine ausreichend große Querschnittsfläche aufweisen, um eine ausreichende Dämpfung und einen geringen Strömungswiderstand zu liefern. Fig. 3 zeigt, dass die Auslasskanäle 128 einen ovalen Querschnitt aufweisen, der einen zusätzlichen räumlichen Freiraum zu anderen internen Strukturen des Druckkopfes 101 liefert. Daher sind im Querschnitt ovale Auslasskanäle bevorzugt, obwohl kreisförmige und andere Querschnittsformen ebenfalls funktionieren würden, vorausgesetzt, dass diese eine äquivalente Querschnittsfläche aufweisen.
Fig. 4 zeigt weitere räumliche Details bevorzugter Plattenschichtöffnungen, die die Auslassanschlüsse 124, die Auslasskanäle 128 und die Übergangsgebiete 154 bilden, die zusammen einen repräsentativen ovalen Auslass 160 dieser Erfindung bilden.
Die Auslassanschlüsse 124 haben jeweils eine kreisförmige Querschnittsform, die in einer Separatorplatte 140, einer Einlasskanalplatte 142, einer Separatorplatte 144 und einer Filterplatte 145 gebildet ist. Die Auslasskanäle 128 besitzen jeweils eine ovale Querschnittsform, die in den Sammelleitungsplatten 146A bis 146F ausgebildet ist. Die Übergangsgebiete 154 besitzen jeweils eine ovale Querschnittsform, die in der Wandplatte 148 und der Öffnungsstrebenplatte 152 gebildet ist. Bevorzugte Abmessungen für den ovalen Auslass 160 sind im Folgenden in Tabelle 2 dargestellt. Tabelle 2 L, W, D und Dia in Millimeter; Fläche in mm²
Die Fig. 5 bis 19 zeigen die Platten, die, wenn sie zusammengefügt sind, den bevorzugten erfindungsgemäßen Druckkopf 101 bilden.
Insbesondere zeigt Fig. 5 die Membranplatte 136, in der Öffnungen zur Bildung von Bereichen der Tinteneinlassanschlüsse 102 ausgebildet sind. Die Membranen 130 werden inhärent in dem Plattenmaterial im Gebiet gebildet, das gestrichelt umrahmt ist.
Fig. 6 zeigt die Gehäuseplatte 138, in der Öffnungen zur Bildung von Bereichen der Tinteneinlassanschlüsse 102 und der Tintendruckkammern 122 angebracht sind.
Fig. 7 zeigt die Separatorplatte 140, in der Öffnungen zur Bildung der Druckkammeranschlüsse 120, von Bereichen der Tinteneinlassanschlüsse 102 und von Bereichen der Auslassanschlüsse 124 vorhanden sind.
Fig. 8 zeigt die Einlasskanalplatte 142, in der Öffnungen zur Bildung der Einlasskanäle 118, von Bereichen der Tinteneinlassanschlüsse 102 und von Bereichen der Auslassanschlüsse 124 vorhanden sind.
Fig. 9 zeigt die Separatorplatte 144, in der Öffnungen zur Bildung der Einlassanschlüsse 117, von Bereichen der Tinteneinlassanschlüsse 102 und von Bereichen der Auslassanschlüsse 124 vorhanden sind.
Fig. 10 zeigt die Filterplatte 154, in der Öffnungen zur Bildung der Einlassfilter 116, von Bereichen der Tinteneinlassanschlüsse 102 und von Bereichen der Auslassanschfüsse 124 vorhanden sind.
Fig. 11 zeigt die Sammelleitungsplatte 146A, in der Öffnungen zur Bildung von Bereichen der Tintenzufuhrkanäle 104, von Bereichen der Sammelleitungen 106, von Bereichen der Tinteneinlassanschlüsse 102 und von Bereichen der ovalen Auslasskanäle 128 vorhanden sind. Die Sammelleitungen 106 erstrecken sich über die gesamte Länge des Tintenstrahlarrays 100, sind jedoch in jeder Sammelleitungsplatte 146 mittels Stützrippen 170 verstärkt. Die Stützrippen 170 sind absichtlich in den jeweiligen Sammelleitungsplatten 146 übereinanderliegend, um die Bildung einer Tintenströmungsblockade in jeder der Sammelleitungen 106 zu vermeiden.
Fig. 12 zeigt die Sammelleitungsplatte 146B, in der Öffnungen zur Bildung von Bereichen der Tintenzufuhrkanäle 104, von Bereichen der Sammelleitungen 106, von Bereichen der Tinteneinlassanschlüsse 102 und von Bereichen der ovalen Auslasskanäle 128 vorhanden sind.
Fig. 13 zeigt die Sammelleitungsplatte 146C, in der Öffnungen zur Bildung von Bereichen der Sammelleitungen 106, von Bereichen der Tinteneinlassanschlüsse 102 und von Bereichen der ovalen Auslasskanäle 128 vorhanden sind.
Fig. 14 zeigt die Sammelleitungsplatte 146D, in der Öffnungen zur Bildung von Bereichen der Sammelleitungen 106, von Bereichen der Tinteneinlassanschlüsse 102 und von Bereichen der ovalen Auslasskanäle 128 vorhanden sind.
Fig. 15 zeigt die Sammelleitungsplatte 146E, in der Öffnungen zur Bildung von Bereichen der Sammelleitungen 106, von Bereichen der Tintenzufuhrkanäle 104 und von Bereichen der ovalen Auslasskanäle 128 vorhanden sind.
Fig. 16 zeigt die Sammelleitungsplatte 146F, in der Öffnungen zur Bildung von Bereichen der Sammelleitungen 106, von Bereichen der Tintenzufuhrkanäle 104 und von Bereichen der ovalen Auslasskanäle 128 vorhanden sind.
Fig. 17 zeigt die Wandplatte 148, in der Öffnungen zur Bildung von Bereichen der Übergangsgebiete 154 vorhanden sind. Die nachgiebigen Wände 155 sind inhärent in dem Plattenmaterial in den gestrichelt umrahmten Gebieten ausgebildet.
Fig. 18 zeigt die Öffnungsstrebenplatte 152, in der Öffnungen zur Bildung von Bereichen der Übergangsgebiete 154 vorhanden sind. Die Luftkammern 156 sind durch "Halbätzen" des 0.2 Millimeter (0.008 Inch) dicken Plattenmaterials bis in eine Tiefe im Bereich von ungefähr 0.05 Millimeter (0.002 Inch) bis ungefähr 0.1 Millimeter (0.004 Inch) gebildet.
Fig. 19 zeigt die Öffnungsplatte 158, in der 0.06 Millimeter (0.0025 Inch) Öffnungen zur Bildung der Öffnungen bzw. Düsen 108 gestanzt sind.
Wie zuvor mit Bezug zu Fig. 2 beschrieben wurde, wird die Strahlleistung durch Minimieren der Länge der Einlasskanäle 118 und der Auslasskanäle 128 verbessert. Das Minimieren der Einlass- und Auslasslängen begrenzt jedoch ebenfalls das Volumen und die Leistungsfähigkeit der Sammelleitungen 106, was zu relativ großen Tintendruckfluktuationen führt, wenn eine beträchtliche Anzahl an Tintenstrahlelementen 100 gleichzeitig Tintentropfen auswerfen. Ungünstigerweise bewirken die Druckfluktuationen ein Übersprechen zwischen den Tintenstrahlelementen 100, das sich als Strahlnichtgleichförmigkeit und eine schlechte Druckqualität auswirkt.
Um die Druckfluktuationen in den Sammelleitungen 106 zu minimieren, werden die nachgiebigen Wände 150 entlang der gesamten Länge der Sammelleitungen 106 gebildet. Das mechanische Nachgeben der Wände 150 absorbiert die Tintendruckfluktuationen während des "Beginns" der Strahlaussendung bis eine gleichmäßige Tintenströmung aufgebaut ist. Ein elektrisches Analogon zu den nachgiebigen Wänden 150 ist ein Filterkondensator in einer Stromversorgung.
Gemäß den Fig. 11-16 wird die Leistungsfähigkeit der Tintenzufuhr der Sammelleitungen 106 ferner durch das Bereitstellen dreier Tintenzuführkanäle 104 pro Sammelleitung verbessert, um den strömungstechnischen Widerstand (Widerstand im Tintenstrom) innerhalb der Sammelleitungen 106 zu verringern. Das Bereitstellen dreier Tintenzuführkanäle 104 pro Sammelleitung 106 ist in elektrischer Weise der Parallelschaltung dreier Widerstände analog. Das heißt, die effektive Sammelleitungslänge beträgt ein Sechstel der tatsächlichen Sammelleitungslänge und der Sammelleitungswiderstand ist entsprechend verringert.
Gemäß Fig. 20 wird die Tintenströmungseigenschaft der Sammelleitungen 106 weiterhin verbessert, indem die Tintenzufuhrkanäle 104 mit einer Ausgestaltung für niedrigen Widerstand versehen werden. Dies hat zur Folge, dass die Tinteneinlassanschlüsse 102 im Querschnitt groß und so dicht wie möglich an den Sammelleitungen 106 gehalten werden. Die querschnittsmäßig große Fläche wird erreicht, indem die Tintenzufuhrkanäle 104 so geformt sind, dass diese in verjüngte Bereiche 180 zwischen den Tinteneinlassanschlüssen 102 und den Sammelleitungen 106 auslaufen.
Das Zuführen von Tinte aus den Tinteneinlassanschlüssen 102M und 102C zu den inneren Sammelleitungen 106M und 106C erfordert, dass die Tintenzuführkanäle 104M und 104Y und die Tintenzuführkanäle 104C und 104K sich gegenseitig "überschneiden", wie dies in Fig. 20 gezeigt ist. Nach unten gerichtete Bereiche 182Y und 182K (nicht gezeigt) der Sammelleitungen 106Y und 106K liefern Platz für die Überschneidebereiche der jeweiligen Tintenzufuhrkanäle 104M und 104C. Die Fig. 15 und 16 liefern eine weitere Ansicht der Überschneidungen der Tintenzufuhrkanäle.
Die relativ große Querschnittsfläche der Tintenzufuhrkanäle 104 ergibt ein relativ großes Tintenzufuhrvolumen, die ein potentielles Luftspülungsproblem für den Tintendruckkopf 101 verursachen. Das Spülen hat als Hauptziel das Entfernen eingeschlossener Luft aus den Tintenstrahlelementen 100, indem bewirkt wird, dass eine möglichst minimale Tintenmenge schnell durch alle internen Strukturen des Druckkopfs 101 strömt. Spülungstechnische Probleme werden im Allgemeinen durch schwimmende Luftblasen und Tintenströmungsstillstandsgebiete innerhalb des Druckkopfes 101 hervorgerufen.
Das Schwimmen der Luftblasen wird ausgenutzt, um die Spülfähigkeit der Tintenstrahlelemente 100 wie folgt zu verbessern. Tinte strömt von den Tinteneinlassanschlüssen - 102 durch die Tintenzufuhrkanäle 104 in die Sammelleitungen 106. Jegliche Luftblasen werden durch die Schwimmfähigkeit gegen die in Höhenrichtung oberen Wände 184 der Sammelleitung 106 gedrückt. Daher sind die Einlassanschlüsse 117 und die Einlasskanäle 118 in der Nähe der oberen Wände 184 angeordnet, um Tinte aus den obersten Bereichen der Sammelleitung 106 herauszuziehen, so dass ein Minimum an Tintenströmung erforderlich ist, um Luftblasen in die Einlasskanäle 118 zu ziehen. Wenn die Luftblasen in die Einlasskanäle 118 eingedrungen sind, ist durch die verbleibenden internen Strukturen, die zu den Öffnungen 108 führen, mittels einer Kombination von Strukturglattheit, kleiner Querschnittsfläche und entgegengesetzter Strömung durch die kreisförmigen Druckkammern 122 eine ausreichende Spülung gewährleistet.
Ein Tintenstromstillstand ist ein potentielles Problem in Bereichen mit geringer Tintenströmungsgeschwindigkeit innerhalb der Sammelleitungen 106. Gemäß Fig. 21 tritt der Tintenstromstillstand am wahrscheinlichsten in den Sammelleitungen 106 an Punkten stromabwärts von den Tintenzufuhrkanälen 104 auf, wo relativ wenige Einlassanschlüsse 117 die Tintenströmung verursachen. In den erfindungsgemäßen Sammelleitungen 106 treten die Stillstandspunkte am wahrscheinlichsten an den Enden 190 und den Symmetriemittelpunkten 192 zwischen den Tintenzuführkanälen 104 auf. Um einen Tintenstromstillstand zu vermeiden, sind die Sammelleitungen in der Nähe der oberen Wände 184 in den Bereichen der Enden 190 und der Symmetriemittelpunkte 192 teilweise verjüngt. Die Verjüngung bewirkt eine in der Höhe nach oben gerichtete Neigung in einer Richtung von der nachgiebigen Wand 150 zu den Einlassanschlüssen 117 (nicht gezeigt).
Folglich lenkt die nach oben gerichtete Neigung die Tintenströmung und Luftblasen in Richtung der Einlassanschlüsse 117, um damit das Spülen zu verbessern.
Ebenfalls gemäß den Fig. 14-16 werden die verjüngten Gebiete dadurch gebildet, dass die Sammelleitungsöffnungsgröße in entsprechenden Sammelleitungsplatten 146F bis 146C in den Bereichen benachbart zu den Enden 190 und den Symmetriemittelpunkten 192 zunehmend vergrößert wird.
Fig. 22 zeigt ein bevorzugtes Tintenzufuhrsystem 200 dieser Erfindung zum Zuführen von vier Tintenfarben zu den Tinteneinlassanschlüssen 102 des Tintenstrahlarraydruckkopfes 101 (die Lage ist in gestrichelten Linien gezeigt). Die Phasenübergangstinten werden geschmolzen und in Tintenauffangbecken 202 (eines von vieren ist gezeigt) abgelagert, von wo die geschmolzene Tinte in Vorratsreservoirs 204 für erwärmte Tinte geleitet wird. Wenn der Tintenstrahlarraydruckkopf 101 Tinte verbraucht, wird diese aus dem Tintenvorratsreservoirs 204 nachgeliefert, indem diese durch die in der Höhe nach oben geneigten Tintenstapelzuführungen 206 zu den Tinteneinlassanschlüssen 102 eingeleitet wird. Es gibt drei Sätze mit Tintenstapelzuführungen 206, wovon lediglich ein Satz gezeigt ist. Die in der Höhe nach oben gerichtete Neigung der Tintenstapelzuführen 206 verbessert die Spülfähigkeit des Tintenzuführsystems 200 und des Tintenstrahldruckkopfes 102, indem vorteilhafterweise die Schwimmfähigkeit der Blasen in der zuvor beschriebenen Weise ausgenutzt wird. Um einen ausreichenden geringen Strömungswiderstand zu erhalten, besitzen die Stapelzuführungen 206 einen bevorzugten Durchmesser von etwa 6.4 Millimeter (0.25 Inch) und eine Durchschnittslänge von ungefähr 76 Millimeter (3.0 Inch).
Der Fachmann erkennt, dass Bereiche dieser Erfindung alternative Ausgestaltungen aufweisen können. Beispielsweise können andere Flüssigkeiten als Phasenübergangstinte verwendet werden und diese können aus einer beliebigen Kombination von Farben oder lediglich einer einzigen Farbe, etwa schwarz, bestehen. Ferner kann der Druckkopf eine andere Breite als die Vorlagenbreite aufweisen und kann eine große Bandbreite an Öffnungsarraykonfigurationen verwenden. Ferner können die Tintenstrahlelemente mittels anderer Mechanismen als dem beschrieben piezokeramischen Wandler angetrieben werden. Und selbstverständlich können andere Herstellungsprozesse als der Aufbau durch laminierte Platten verwendet werden und die diversen beschriebenen Abmessungen können deutlich verändert werden, um speziellen Anwendungsbedürfnissen zu genügen.
Für den Fachmann ist es offensichtlich, dass viele Änderungen an den Details der oben beschriebenen Ausführungsformen dieser Erfindung vorgenommen werden können, ohne von den zugrundliegenden Prinzipien abzuweichen. Es ist daher selbstverständlich, dass diese Erfindung ebenfalls auf andere Abbildungsanwendungen als jene anwendbar ist, die bei Bildtransfertintenstrahldruckern zu finden sind.

Claims

1. Tintenstrahldruckkopf (101) für einen vorlagenbreiten Tintenstrahldrucker, wobei der Druckkopf (101) aufweist:

(i) mehrere lineare Arrays mit Öffnungen (100), wobei jedes Array (100) so angeordnet ist, um eine Vorlagenbreite von zumindest 200 mm in einer ersten Richtung bei Druckeranwendung zu überspannen, und der so angeordnet ist, beim Betrieb des Druckkopfes eine vorbestimmte Farbtinte auszugeben;

(ii) mehrere Tintensammelleitungen (106), wobei jede Tintensammelleitung (106) mit einem entsprechenden der Öffnungsarrays (100) in Fluidkommunikation steht und bei einer Druckanwendung eine der vorbestimmten Farbtinten speichert; wobei jede Tintensammelleitung (106) eine nachgiebige Wand (150) aufweist, die beim Druckkopfbetrieb ein Übersprechen zwischen Strahlen absorbiert, wobei unabsorbiertes Übersprechen Tintendruckfluktuationen hervorruft, die durch gleichzeitiges Ausgeben von Tintentropfen in Richtung auf ein Bild empfangendes Medium (114) von mehreren Öffnungen (100) verursacht werden.

2. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 1 zum Drucken auf einem bildempfangenden Medium (114), der weiterhin umfasst:

(i) einen Auslasskanal (128), der fluidmäßig jede Öffnung (100) an eine entsprechende Tintendruckkammer (122) koppelt; und

(ii) einen Einlasskanal (118), der jede der Tintendruckkammern (122) fluidmäßig an eine entsprechende Tintensammelleitung (106) koppelt.

3. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Tinten Phasenänderungstinten sind.

4. Tintenstrahldruckkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vier zueinander parallele lineare Öffnungsarrays (100) vorgesehen sind, jeweils eines für jede der folgenden vorbestimmten Farbtinten, und zwar gelb, magenta, cyan und schwarz.

5. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 3, wobei die Öffnungsarrays (100) so angeordnet sind, dass entsprechende Öffnungen (100) in den Öffnungsarrays, die gelb, magenta und cyan-Tinte ausgeben, in einer zweiten Richtung senkrecht zu der ersten Richtung ausgerichtet sind, um vorbestimmte Kombinationen von gelben, magenta und cyan-Tintentropfen, die von den ausgerichteten Öffnungen (100) ausgegeben werden, zu ermöglichen, um diese vor einem wesentlichen Trocknen auf dem bildempfangenden Medium (114) zusammen zu mischen.

6. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Öffnungsarrays (100) so angeordnet sind, dass entsprechende Öffnungen (100) in dem schwarze Tinte ausgebenden Array in der ersten Richtung von entsprechenden Öffnungen (100) der gelbe, magenta und cyan Tintentropfen ausgebenden Öffnungsarrays (100) versetzt sind, um zu verhindern, dass schwarze Tintentropfen mit beliebigen der gelben, magenta und cyan Tintentropfen vor einem wesentlichen Trocknen auf dem bildempfangenden Medium (114) gemischt werden.

7. Tintenstrahldruckkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede der Öffnungen (100) mittels eines Auslasskanals (128) mit einer Tintendruckkammer (122) fluidmäßig gekoppelt ist, und wobei jede der Tintendruckkammern (122) mittels eines Einlasskanals (118) mit einer entsprechenden Tintensammelleitung (106) fluidmäßig gekoppelt ist.

8. Tintenstrahldruckkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder der Auslasskanäle (128) eine ovale Querschnittsform aufweist.

9. Tintenstrahldruckkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder der Einlasskanäle (118) ein kleines Querschnittshöhen-Breitenverhältnis aufweist, das einen relativ hohen Strömungswiderstand in jedem Einlasskanal (118) erzeugt, und wobei jeder der Auslasskanäle (128) ein großes wirksames Durchmesser-Längen- Verhältnis aufweist, das einen relativ geringen Strömungswiderstand in jedem Auslasskanal (128) erzeugt, so dass ein resultierendes hohes Verhältnis von Einlasskanal-(118) Strömungswiderstand zu Auslasskanal-(128)Strömungswiderstand in einer hohen Strahlerzeugungseffizienz und in einem geringen Übersprechen zwischen Strahlen resultiert.

10. Tintenstrahldruckkopf nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei jeder der Einlasskanäle (118) über einen Einlassanschluss (117) und einen Einlassfilter (116) mit einer entsprechenden Tintensammelleitung (106) fluidmäßig gekoppelt ist.

11. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 10, wobei jeder der Einlassanschlüsse (117) an einem Punkt, der zu einer angehobenen oberen Wand der entsprechenden Tintensammelleitung (106) benachbart ist, mit einer entsprechenden Tintensammelleitung (106) fluidmäßig verbunden ist.

12. Tintenstrahldruckkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede der Tintensammelleitungen (106) eine Länge aufweist, die im wesentlichen gleich der Breite des entsprechenden Öffnungsarrays (100) ist.

13. Tintenstrahldruckkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Tintenstrahldruckkopf (101) während der Anwendung jede der unterschiedlichen Farbtinten durch einen Tinteneinlassanschluss (102) und/oder einen Tintenzufuhrkanal mit verjüngter Öffnung (104) zu einer entsprechenden Tintensammelleitung (106) liefert.

14. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 13, wobei jede der Tintensammelleitungen (106) durch zumindest zwei Tinteneinlassanschlüsse (102) und Tintenzuführkanäle mit verjüngter Öffnung (104) Tinte empfängt.

15. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 14, wobei die Tintensammelleitungen (106) jeweils Enden und symmetrische Mittelpunkte zwischen den Tintenzufuhrkanälen mit verjüngter Öffnung (102) aufweisen, und wobei die Tintensammelleitungen (106) einen verjüngten Querschnitt in der Nähe der Enden und der symmetrischen Mittelpunkte aufweisen, um Tintenströmungsstagnationspunkte in den Tintensammelleitungen (106) und einen Sammelleitungsströmungswiderstand zu minimieren.

16. Tintenstrahldruckkopf nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei der Tintenstrahldruckkopf (101) an jedem der Tinteneinlassanschlüsse (102) über eine entsprechende nach oben angehobene ansteigende Tintenstapelzufuhr (206), die fluidmäßig mit einem Tintenspeicherreservoire (204) verbunden ist, Tinte empfängt.

17. Tintenstrahldruckkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Satz an Platten miteinander laminiert ist, um den Kopf (101) zu bilden.

18. Tintenstrahldruckkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ungefähr 350 der Öffnungen (100) vorgesehen sind, und die lineare Anordnung von Öffnungen (100) so bemessen und angeordnet sind, um ein Tintenbild mit zumindest einer 11-Punkte pro mm - Auflösung auf dem bildempfangenden Medium (114) abzuscheiden.

19. Der Tintenstrahldruckkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Druckkammern (122) mit einem im Wesentlichen kreisförmigen Profil mit einem Mittelpunkt vorgesehen sind, und wobei die Druckkammern (122) mit jeder Tintensammelleitung (106) verknüpft und in einer Reihe angeordnet sind, so dass die Mittelpunkte der Druckkammern (122) parallel zu dem entsprechenden Array mit Öffnungen (100) sind, und wobei die Mittelpunkte entsprechender Druckkammern (122) in benachbarten Reihen voneinander in der ersten Richtung versetzt sind.

20. Tintenstrahldruckkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere Einlasskanäle (118) im Wesentlichen gleiche Längen und Querschnittsflächen aufweisen und entsprechende Tintensammelleitungen (106) und Druckkammern (122) fluidmäßig verbinden und wobei mehrere Auslasskanäle (128) im Wesentlichen gleiche Längen und Querschnittsflächen zueinander aufweisen und entsprechende Öffnungen (100) und Druckkammern (122) fluidmäßig koppeln, wobei alle Öffnungen (100) Tintentropfen mit einer im Wesentlichen gleichen Strahleigenschaft auswerfen.

21. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 20, wobei jeder bzw. jede der Einlasskanäle (118), der Druckkammern (122), der Auslasskanäle (128), und der Öffnungen (100) verknüpft sind, um einen Tintenstrahl zu formen, und wobei jeder Tintenstrahl eine Helmholtzresonanzfrequenz von mindestens ungefähr 20 kHz aufweist.

22. Tintenstrahldruckkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder von mehreren Einlasskanälen (118) fluidmäßig mit entsprechenden Druckkammern (122) und zugehörigen Tintensammelleitungen (106) verbunden ist, wobei die Fluidverbindung zwischen jedem Einlasskanal (118) und zugehöriger Sammelleitung (106) mittels eines Einlassanschlusses (102) gebildet ist, der benachbart zu einer angehobenen oberen Wand der zugehörigen Tintensammelleitung (106) angeordnet ist.

23. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 22, wobei die Tintensammelleitungen (106) Enden aufweisen, die sich im Querschnitt an Positionen benachbart zu den Enden verjüngen, um eine Strömung der Tinte in Richtung der Einlassanschlüsse (102) zu lenken.

24. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 23, wobei der Tintenstrahlarray-Druckkopf (101) aus einem laminierten Satz von Platten aufgebaut ist, und wobei der sich verjüngende Querschnitt durch progressives Vergrößern einer Öffnungsgröße einer Tintensammelleitung (106) in benachbart gestapelten, die Sammelleitung (106) bildenden Platten erreicht wird.

25. Tintenstrahldruckkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Öffnungen (100) von entsprechenden Auslasskanälen (128), vorzugsweise mit ovalem Querschnitt, versorgt werden, die fluidmäßig an entsprechenden Druckkammern (122) gekoppelt sind, die zur Tintenzufuhr zu entsprechenden Sammelleitungen (106) mittels Einlasskanälen (118) fluidmäßig angeschlossen sind, und wobei die Öffnungen (100), Sammelleitungen (106), Auslasskanäle (128), Einlasskanäle (118) und Tintendruckkammern (122) resonante Frequenzen und Dämpfungsfaktoren liefern, die einen Betrieb bei Frequenzen von 11 kHz und höher erlauben.

26. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 26, wobei die die Tintendruckkammern (122) ansteuernde Signalform eine Tropfenmasse von ungefähr 90 bis ungefähr 120 Nanogramm bei einem Drucken mit einer 300 Punkte pro inch Auflösung für eine Flugzeit eines Tintentropfens von dem Druckkopf (101) zu dem Medium (114) von zwischen ungefähr 50 und ungefähr 300 Mikrosekunden über ungefähr eine 15 mil bis ungefähr 30 mil Entfernung von der Öffnung zur empfangenden Oberfläche liefert.

27. Tintenstrahldruckkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kopf mehrere Öffnungen (100) zum Auswerfen einer vorbestimmten Farbtinte auf eine bildempfangende Oberfläche (114) bei Gebrauch aufweist, wobei die Tintenversorgungsschaltung für die Öffnungen so gestaltet ist, wie in (ii) bis (iv) in Anspruch 16 definiert ist, und zumindest einen Auslasskanal mit ovalem Querschnitt aufweist.

28. Tintenstrahldruckkopf, der einen Tintenstrahldruckkopf gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.