DE69636331T2

DE69636331T2 - Flüssigkeitsausstosskopf

Info

Publication number: DE69636331T2
Application number: DE69636331T
Authority: DE
Inventors: Yoshie Ohta-ku Nakata; Masami Ohta-ku Ikeda; Toshio Ohta-ku Kashino; Aya Ohta-ku Yoshihira; Hiroshi Ohta-ku Sugitani; Makiko Ohta-ku Kimura; Takeshi Ohta-ku Okazaki; Kiyomitsu Ohta-ku Kudo
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1995-01-13
Filing date: 1996-01-12
Publication date: 2007-04-19
Anticipated expiration: 2016-01-13
Also published as: DE69620656D1; DE69636331D1; EP0721842B1; US6652076B2; EP1172210B1; KR960029100A; EP1172210A3; TW332799B; US20030001930A1; CA2167142A1; US6305789B1; ES2175029T3; EP0721842A2; DE69620656T2; EP0721842A3; ATE332235T1; US6435669B1; CA2167142C; ATE216318T1; KR100266438B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Flüssigkeitsausstoßkopf zum Ausstoßen einer gewünschten Flüssigkeit durch Erzeugung eines Bläschens beim Aufbringen von Wärmeenergie auf diese, eine Kopfkartusche, bei welcher ein solcher Flüssigkeitsausstoßkopfverwendet wird, eine Flüssigkeitsausstoßvorrichtung mit einer solchen Kopfkartusche, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Flüssigkeitsausstoßkopfes, ein Verfahren zum Ausstoßen von Flüssigkeit, ein Aufzeichnungsverfahren und ein Druckgerät, bei welchem dieses Flüssigkeitsausstoßverfahren angewendet wird. Diese Erfindung betrifft auch eine Tintenstrahlkopfeinheit, in welcher ein solcher Flüssigkeitsausstoßkopf integriert ist.
Genauer ausgedrückt, diese Erfindung betrifft einen Flüssigkeitsausstoßkopf mit einem beweglichen Element, welches sich bei der Erzeugung eines Bläschens bewegen kann, eine Kopfkartusche mit einem solchen Flüssigkeitsausstoßkopf und eine Flüssigkeitsausstoßvorrichtung mit einer solchen Kopfkartusche. Diese Erfindung betrifft außerdem ein Flüssigkeitsausstoßverfahren und ein Aufzeichnungsverfahren, bei welchen zum Ausstoßen der Flüssigkeit das bewegliche Element durch die Bläschenerzeugung bewegt wird.
Die vorliegende Erfindung ist anwendbar bei einem Gerät wie zum Beispiel einem Drucker, einem Kopierer, einem Faxgerät mit Kommunikationssystem, einem Textautomaten mit einer Druckvorrichtung oder einer ähnlichen Vorrichtung und bei einer industriellen Aufzeichnungsvorrichtung, welche mit verschiedenen Behandlungsvorrichtungen gekoppelt ist und das Aufzeichnen auf einem Aufzeichnungsmaterial wie Papier, Zwirn, Fasern, Gewebe, Leder, Metall, Kunstharz, Glas, Holz, Keramik usw. ermöglicht.
In dieser Spezifikation bedeutet „Aufzeichnen" nicht nur die Erzeugung eines Bildes in Form eines Buchstabens, einer Figur oder eines ähnlichen Objekts mit besonderer Bedeutung, sondern auch eines Musters ohne besondere Bedeutung.
Bekannt ist ein auf Bläschenbildung basierendes Tintenstrahlaufzeichnungsverfahren, bei welchem durch Aufbringen von Energie in Form von Wärme auf die Tinte eine momentane Zustandsänderung eintritt, welche in einer momentanen Volumenänderung (Bläschenerzeugung) resultiert, so dass durch die aus der Zustandsänderung resultierende Kraft Tinte aus den Ausstoßöffnungen auf das Aufzeichnungsmaterial ausgestoßen und dadurch ein Bild auf diesem erzeugt wird. Wie im US-Patent 4,723,129 offenbart, weist eine nach dem Bläschenaufzeichnungsverfahren arbeitende Aufzeichnungsvorrichtung eine Ausstoßöffnung zum Ausstoßen von Tinte, einen mit der Ausstoßöffnung in Verbindung stehenden Tintenkanal und einen im Tintenkanal angeordneten elektrothermischen Wandler als Energie erzeugendes Element auf.
Der Vorteil eines solchen Aufzeichnungsverfahrens besteht darin, dass ein qualitativ hochwertiges Bild bei hoher Aufzeichnungsgeschwindigkeit und geringem Lärm aufgezeichnet werden kann und zahlreiche solcher Ausstoßöffnungen in großer Dichte angeordnet werden können, wodurch ein Aufzeichnungsgerät in kleiner Größe und mit hohem Auflösungsvermögen bereitgestellt werden kann, welches die Erzeugung von Farbbildern auf einfache Weise ermöglicht. Dieses Aufzeichnungsverfahren wird gegenwärtig bei Druckern, Kopierern, Faxgeräten und anderen Büroeinrichtungen, aber auch in industriellen Systemen wie Gewebedruckvorrichtungen oder ähnlichen Vorrichtungen in großem Umfang angewendet.
Durch die große Nachfrage nach diesem Bläschenstrahlverfahren werden aber in zunehmendem Maße verschiedene Forderungen an dieses gestellt.
Das trifft zum Beispiel auf die Verbesserung der Energieausnutzung zu. Um dieser Forderung gerecht zu werden, wird untersucht, auf welche Weise eine Optimierung des Wärme erzeugenden Elements wie zum Beispiel die Wahl der geeigneten Dicke des Schutzfilms möglich ist. Dieses Verfahren zeichnet sich durch eine verbesserte Weiterleitungseffizienz der erzeugten Wärme aus.
Zur Erzeugung qualitativ hochwertiger Bilder wurden Ansteuerbedingungen vorgeschlagen, welche die Tintenausstoßgeschwindigkeit erhöhen und/oder die Bläschenerzeugung stabilisieren, um das Ausstoßen der Tinte zu verbessern. Bezüglich der Erhöhung der Aufzeichnungsgeschwindigkeit wurde auch vorgeschlagen, die Konfiguration des Tintenkanals zu verbessern, um das Zuführen von Flüssigkeit in den Flüssigkeitskanal (Nachfüllen) zu beschleunigen.
In der japanischen Offenlegungsschrift SHO-63-199972 wurden zum Beispiel die in den 1(a) und 1(b) gezeigten Flüssigkeitskanalkonfigurationen vorgeschlagen.
Bei diesen Flüssigkeitskanalkonfigurationen wurden die Erzeugung der Kanäle selbst und die auf die Flüssigkeitskammer wirkende Gegenwelle in Betracht gezogen. Da diese Gegenwelle zum Ausstoßen der Flüssigkeit nicht beiträgt, wird sie als Energieverlust angesehen. Deshalb wurde ein Ventil 10 vorgeschlagen, welches in Flüssigkeitsfließrichtung gesehen vor dem Wärme erzeugenden Element 2 an der Flüssigkeitskanalabdeckung angeordnet ist. In der Grundstellung erstreckt dieses Ventil sich entlang der Flüssigkeitskanalabdeckung. Beim Erzeugen eines Bläschens neigt dieses Ventil 10 sich nach unten und reduziert dadurch teilweise die Wirkung der Gegenwelle auf die Flüssigkeitskammer. Wenn das Ventil 10 im Flüssigkeitskanal 3 angeordnet ist, wird die Gegenwelle praktisch kaum unterbunden. Die Gegenwelle hat keinen direkten Einfloß auf das Ausstoßen der Flüssigkeit. Wenn eine solche Gegenwelle im Flüssigkeitskanal entsteht, reicht schon der daraus resultierende Druck aus, Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitskanal zu drängen.
Beim Bläschenstrahlaufzeichnungsverfahren erfolgt wiederholt das Erwärmen durch das mit der Tinte in Verbindung stehende Wärme erzeugende Element, so dass durch das Koagulieren der Tinte verbranntes Material auf der Oberfläche des Wärme erzeugenden Elements abgelagert wird. In Abhängigkeit von den zur Herstellung der Tinte verwendeten Materialien kann die Ablagerungsmenge groß werden. Wenn dieser Fall eintritt, wird der Tintenausstoß instabil. Auch wenn die auszustoßende Flüssigkeit sich durch die Wärme verschlechtert oder eine ungenügende Bläschenerzeugungsfähigkeit besitzt, wird trotzdem ein gutes Ausstoßverhalten oder schnelle Eigenschaftsänderung gewünscht.
In den Anmeldungen zu den japanischen Offenlegungspatenten SHO-61-69467 und SHO-55-81178 und im US-Patent 4,480,259 wird auf die Verwendung unterschiedlicher Flüssigkeiten für das Erzeugen eines Bläschens durch Wärme (Bläschenerzeugungsflüssigkeit) und für die auszustoßende Flüssigkeit (Ausstoßflüssigkeit) verwiesen. Gemäß dieser Veröffentlichungen werden die Tinte als Ausstoßflüssigkeit und die Bläschenerzeugungsflüssigkeit durch einen flexiblen Film aus Silikongummi oder einem ähnlichen Material vollkommen voneinander getrennt, um eine direkte Berührung zwischen der Ausstoßflüssigkeit und dem Wärme erzeugenden Element zu verhindern, aber das Fortpflanzen des aus der Bläschenerzeugung in der Bläschenerzeugungsflüssigkeit resultierenden Druckes auf die Ausstoßflüssigkeit durch die Verformung des flexiblen Films zu ermögliche. Durch einen solchen Aufbau wird das Ablagern von Material auf der Oberfläche des Wärme erzeugenden Elements verhindert und die Auswahlmöglichkeit für die Ausstoßflüssigkeit vergrößert.
Bei diesem Aufbau mit vollkommener Trennung zwischen der Ausstoßflüssigkeit und der Bläschenerzeugungsflüssigkeit wird der aus der Bläschenbildung resultierende Druck durch die Expansions- und Kontraktionsverformung des flexiblen Films zwar auf die Ausstoßflüssigkeit fortgepflanzt, aber zum großen Teil vom flexiblen Film absorbiert. Außerdem ist die Verformung des flexiblen Films nicht sehr groß, so dass die Energienutzungseffizienz und die Ausstoßkraft verringert werden, obwohl durch die erwähnte Trennung zwischen der Ausstoßflüssigkeit und der Bläschenerzeugungsflüssigkeit der gleiche Effekt erzielt wird.
Im Dokument US-A-5278585 wird ein Tintenstrahldruckkopfgemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein die Flüssigkeit ausstoßendes Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 41 beschrieben, wobei das Wärme erzeugende Element zum Erzeugen eines Bläschens in der Tinte zwecks Ausstoßens von Tinte in einer Vertiefung und ein bewegliches Ventil vor dieser Vertiefung und sich teilweise über diese erstreckende angeordnet ist, um die nach hinten gerichtete Bläschenkraft im wesentlichen zu blockieren und zum Erleichtern des Tintenausstoßes in die entgegengesetzte Richtung zu lenken. Im Dokument EP-A-0436047 wird ein Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf beschrieben, bei welchem das Ausstoßen von Tinte ebenfalls durch Erzeugung eines Bläschens von einem Heizelement erfolgt. Im Tintenkanal ist mindestens ein Ventil angeordnet, um die Ausdehnung des Bläschens in Richtung Tintenbehälter zu unterbinden. Bei der in 7 gezeigten Anordnung schließt ein vor dem Heizelement angeordnetes erstes Ventil als Reaktion auf den Bläschendruck den Tintenkanal in Richtung Bläschenerzeugungsbereich und ein hinter dem Heizelement angeordnetes zweites Ventil öffnet sich als Reaktion auf den Bläschendruck, um das Ausstoßen von Tinte aus der Ausstoßöffnung zu ermöglichen. Im Dokument JP-A-05-124189 wird eine Tintenausstoßvorrichtung beschrieben, bei welcher an beiden Seiten einer Unterkammer Elektroden angeordnet sind, durch welche beim Anlegen einer Spannung an diese in der Unterkammer ein Bläschen erzeugt und durch den Bläschendruck eine dünne Membran in Richtung Ausstoßöffnung bewegt wird, um das Ausstoßen von Tinte zu ermöglichen.
Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Flüssigkeitsausstoßprinzips, bei welchem das erzeugte Bläschen auf eine ganz neue Art gesteuert wird.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Flüssigkeitsausstoßkopfes, wobei die Wärmeakkumulation in der Flüssigkeit über dem Wärme erzeugenden Element wesentlich verringert und das Restbläschen über dem Wärme erzeugenden Element verkleinert wird und Ausstoßeffizienz und der Ausstoßdruck verbessert werden.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Flüssigkeitsausstoßkopfes, wobei die durch die Gegenwelle erzeugte Trägheitskraft in Richtung entgegen der Flüssigkeitszuführrichtung unterdrückt und durch die Ventilfunktion eines beweglichen Elements gleichzeitig das Zurückziehen des Meniskus verringert und dadurch die Nachfüllfrequenz erhöht wird, um Hochgeschwindigkeitsdrucken zu ermöglichen.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Flüssigkeitsausstoßkopfes, wobei das Ablagern von Restmaterial auf dem Wärme erzeugenden Element verringert und der Flüssigkeitsnutzungsbereich erweitert wird und außerdem die Ausstoßeffizienz und die Ausstoßkraft vergrößert werden.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Flüssigkeitsausstoßkopfes, wobei eine größere Auswahl an auszustoßenden Flüssigkeiten verfügbar ist.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Flüssigkeitsausstoßkopfes, welcher auf einfache Weise gefertigt werden kann, da der Flüssigkeitskanal zum Zuführen mehrerer Flüssigkeiten nur durch wenige Teile gebildet wird. Eine zusätzliche Aufgabe ist die Bereitstellung eines verkleinerten Flüssigkeitsausstoßkopfes und einer verkleinerten Flüssigkeitsausstoßvorrichtung.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Erzeugung eines qualitativ guten Druckbildes nach dem beschriebenen Ausstoßverfahren.
Unter einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Flüssigkeitsausstoßkopf für das Ausstoßen von Flüssigkeit durch Erzeugung eines Bläschens bereitgestellt, mit:
einem Wärmeerzeugerelement für das Erzeugen von Wärme, um das Bläschen in einer Flüssigkeitsfließbahn auszubilden, der mit einer Ausstoßöffnung für das Ausstoßen von Flüssigkeit in Verbindung steht, wobei das Wärmeerzeugerelement eine Widerstandslage und ein Paar an Elektroden hat, die mit der Widerstandslage verbunden sind; und
einem beweglichen Element, das einen Drehpunkt und ein freies Ende, das bezüglich einer Flüssigkeitsfließrichtung entlang des Flüssigkeitsfließkanals zu der Ausstoßöffnung stromabwärts des Auslenkpunktes angebracht ist, hat, wobei das bewegliche Element so angebracht ist, dass es dem Wärmeerzeugerelement zugewandt ist, wobei sich ein Raum zwischen dem beweglichen Element und dem Wärmeerzeugerelement befindet, wobei das bewegliche Element durch Druck, der durch die Bläschenerzeugung erzeugt wird, von einer ersten Position in eine zweite Position, die weiter von dem Wärmeerzeugerelement als die erste Position entfernt ist, beweglich ist;
dadurch gekennzeichnet, dass
das freie Ende des beweglichen Elements bezüglich der Flüssigkeitsfließrichtung stromabwärts einer Mitte von dem Bereich des Wärmeerzeugerelements angeordnet ist.
In dieser Spezifikation sind „stromaufwärts" und „stromabwärts" bezüglich der Fließrichtung definiert, in welcher die Flüssigkeit von einer Quelle durch den Bläschenerzeugungsbereich (bewegliches Element) bis zur Ausstoßöffnung fließt.
Was das Bläschen selbst betrifft, ist „stromabwärts" definiert als in Richtung zu der Bläschenausstoßöffnungsseite, die unmittelbar dazu dient, das Bläschen auszustoßen. Genauer gesagt bedeutet dies ein Stromabwärts von der Mitte des Bläschens bezüglich der Flüssigkeitsfließrichtung oder ein Stromabwärts von der Mitte des Wärmeerzeugungsbereichs bezogen auf den selben.
Der in dieser Spezifikation benutzte Ausdruck „im wesentlichen abgedichtet" bezieht sich allgemein auf den Grad der Abdichtung, das heißt, dass beim Anwachsen des Bläschens dieses sich erst dann durch den Spalt (Schlitz) um das bewegliche Element quetscht, wenn dieses eine Bewegung durchführt.
Der in dieser Spezifikation benutzte Begriff „Trennwand" bezieht sich auf eine Wand (welche das bewegliche Element einschließt), welche die direkte Verbindung zwischen dem Bläschenerzeugungsbereich und der Ausstoßöffnung, das heißt den zwischen dem Bläschenerzeugungsbereich und der Ausstoßöffnung liegenden Abschnitt des Flüssigkeitskanals trennt, um ein Vermischen der in den Flüssigkeitskanälen vorhandenen Flüssigkeiten zu verhindern.
Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen deutlicher zu erkennen.
1 zeigt eine Schnittansicht des Flüssigkeitskanals in einem herkömmlichen Flüssigkeitsausstoßkopf.
2 zeigt schematisch eine Schnittansicht des bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendeten Flüssigkeitsausstoßkopfes.
3 zeigt teilweise geschnitten und in perspektivischer Darstellung einen Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt schematisch das Fortpflanzen des von einem Bläschen erzeugten Druckes in einem herkömmlichen Kopf.
5 zeigt schematisch das Fortpflanzen des von einem Bläschen erzeugten Druckes in einem Kopf gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 zeigt schematisch einen Flüssigkeitskanal in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7 zeigt teilweise geschnitten und in perspektivischer Darstellung einen Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß einer weiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 zeigt teilweise geschnitten und in perspektivischer Darstellung einen Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9 zeigt teilweise geschnitten einen Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10 zeigt teilweise geschnitten einen Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
11 zeigt eine Schnittansicht eines Flüssigkeitsausstoßkopfes (2 Flüssigkeitskanäle) gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
12 zeigt teilweise geschnitten und in perspektivischer Darstellung den Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
13 zeigt die Wirkungsweise eines beweglichen Elements.
14 zeigt die Konfiguration eines zweiten Flüssigkeitskanals und eines beweglichen Elements. 15 zeigt die Konfiguration eines Flüssigkeitskanals und eines beweglichen Elements. 16 zeigt eine weitere Konfiguration des beweglichen Elements.
17 zeigt in einem Diagramm die Beziehung zwischen der Fläche des Wärme erzeugenden Elements und der Tintenausstoßmenge.
18 zeigt die positionelle Beziehung zwischen einem beweglichen Element und einem Wärme erzeugenden Element.
19 zeigt in einem Diagramm die Beziehung zwischen dem Abstand von einer Kante des Wärme erzeugenden Elements zum Auslenkpunkt und dem Bewegungsweg des beweglichen Elements. 20 zeigt die positionelle Beziehung zwischen dem Wärme erzeugenden Element und dem beweglichen Element.
21 zeigt den Längsschnitt eines Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
22 zeigt schematisch eine Form des Steuerimpulses.
23 zeigt eine Schnittansicht des Flüssigkeitszuführkanals eines Flüssigkeitsausstoßkopfes in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
24 zeigt in Perspektiv- und Explosivdarstellung den Kopf in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die 25 bis 27 zeigen die Verfahrensschritte zur Herstellung eines Flüssigkeitsausstoßkopfes in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
28 zeigt in Perspektiv- und Explosivdarstellung eine Flüssigkeitsausstoßkopfkartusche. 29 zeigt schematisch eine Flüssigkeitsausstoßvorrichtung.
30 zeigt das Blockschaltbild eines Gerätes.
31 zeigt schematisch ein nach dem Prinzip des Flüssigkeitsausstoßens arbeitendes Aufzeichnungssystem.
32 zeigt schematisch eine Kopfeinheit.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
<Ausführungsform 1>
Nachfolgend werden in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Bei der Ausführungsform 1 handelt es sich um die Verbesserung der Ausstoßkraft und/oder der Ausstoßeffizienz durch Steuerung der Fortpflanzungsrichtung des aus der Bläschenerzeugung zum Ausstoßen der Flüssigkeit resultierenden Drucks und der Bläschenwachstumsrichtung. 2 zeigt schematisch die Schnittansicht des Flüssigkeitskanals im Ausstoßkopf gemäß dieser Ausführungsform und 13 teilweise geschnitten und in perspektivischer Darstellung den Flüssigkeitsausstoßkopf selbst.
Der Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß dieser Ausführungsform weist folgendes auf, ein Wärme erzeugendes Element 2 (Wärme erzeugender Widerstand mit den Abmessungen 40 μm × 105 μm bei dieser Ausführungsform) als Ausstoßenergie erzeugendes Element zum Zuführen von Wärmeenergie an die Flüssigkeit zwecks Ausstoßens dieser Flüssigkeit, ein Substrat 1 mit dem darauf angeordneten Wärme erzeugenden Element 2 und einen über dem Substrat entsprechend dem Wärme erzeugenden Element 2 vorhandenen Flüssigkeitskanal 10. Der Flüssigkeitskanal 10 ist mit einer gemeinsamen Flüssigkeitskammer 13, welche die einzelnen Flüssigkeitskanäle 10 mit Flüssigkeit versorgt, und der Ausstoßöffnung 18 verbunden.
Im Flüssigkeitskanal 10 ist über dem Substrat und gegenüber dem Wärme erzeugenden Element 2 ein bewegliches Element oder eines bewegliche Blättchens 31 in Form eines Auslegers aus elastischem Material wie Metall angeordnet. Ein Ende des beweglichen Elements ist an einer durch Bemusterung eines fotoempfindlichen Harzes auf der Wand des Flüssigkeitskanals 10 oder dem Substrat erzeugten Grundplatte (Stützelement) 34 oder an einem ähnlichen Bauelement befestigt. Diese Konstruktion stützt das bewegliche Element und stellt dessen Auslenkpunkt dar.
Das bewegliche Element 31 ist in einem Abstand von etwa 15 μm zum Wärme erzeugenden Element 2 so positioniert, als würde es dieses bedecken, und in Flüssigkeitsfließrichtung von der gemeinsamen Flüssigkeitskammer 13 zur Ausstoßöffnung 18 gesehen liegt dessen Auslenkpunkt (Befestigungsstelle) 33 hinter der gemeinsamen Flüssigkeitskammer und dessen freies Ende 32 vor der Ausstoßöffnung 18. Der Bläschenerzeugungsbereich befindet sich zwischen dem Wärme erzeugenden Element und dem beweglichen Element. Art, Konfiguration oder Lage des Wärme erzeugenden Elements oder des beweglichen Elements sind nicht auf die beschrieben Art, Konfiguration und Lage beschränkt, sondern können entsprechend verändert werden, wenn dadurch das Wachsen des Bläschens und die Druckfortpflanzung weiterhin steuerbar sind. Um das Fließen der Flüssigkeit leichter verständlich zu machen, wird durch das bewegliche Element 31 der Flüssigkeitskanal 10 in einen mit der Ausstoßöffnung 18 direkt in Verbindung stehenden ersten Flüssigkeitskanal 14 und einen den Bläschenerzeugungsbereich 11 und die Flüssigkeitszuführöffnung 12 einschließenden zweiten Flüssigkeitskanal 16 unterteilt.
Wenn das Wärme erzeugende Element 2 Wärme erzeugt, um diese auf die Flüssigkeit im Bläschenerzeugungsbereich zwischen dem beweglichen Element 31 und dem Wärme erzeugenden Element 2 zu übertragen, wird durch das im US-Patent 4,723,129 offenbarte Filmkochen ein Bläschen gebildet. Das Bläschen und der bei der Bläschenbildung entstehende Druck wirken hauptsächlich auf das bewegliche Element 31 und lenken dieses so um den Auslenkpunkt 33 aus, dass der nahe der Ausstoßöffnung vorhandene Spalt erweitert wird, wie aus den 2(b) und 2(c) oder der 3 hervorgeht. Durch Auslenken des beweglichen Elements 31 oder durch den nach dem Auslenken eingetretenen Zustand pflanzt der durch die Bläschenbildung und das Wachsen des Bläschens selbst erzeugte Druck sich bis zur Ausstoßöffnung fort.
Nachfolgend wird eines der Ausstoßgrundprinzipien gemäß der vorliegenden Erfindung näher beschrieben. Ein wichtiges Prinzip der Erfindung besteht darin, dass auf der Grundlage des bei der Bläschenbildung oder durch das Bläschen selbst erzeugten Drucks das bewegliche Element von einer ersten Stellung in eine zweite Stellung ausgelenkt wird und dabei den Druck auf die Ausstoßöffnung 18 richtet.
Detaillierter wird nun ein Vergleich zwischen der Konfiguration eines herkömmlichen Flüssigkeitskanals ohne dieses bewegliche Element (4) und der Konfiguration des Flüssigkeitskanals gemäß der vorliegenden Erfindung (5) angestellt. Die Druckfortpflanzungsrichtung zur Ausstoßöffnung hin ist mit dem Bezugszeichen V_A und die zur Flüssigkeitszufuhrseite hin mit dem Bezugszeichen V_B gekennzeichnet.
Der in 4 dargestellte herkömmliche Kopf weist kein Bauelement auf, welches die Fortpflanzungsrichtung des bei der Bildung des Bläschens 40 entstehenden Druckes bestimmt. Demzufolge pflanzt der Druck sich im rechten Winkel zur Bläschenoberfläche fort, gekennzeichnet durch die Bezugszeichen V1–V8, das heißt in verschiedenen Richtungen innerhalb des Flüssigkeitskanals. Von diesen zahlreichen Fortpflanzungsrichtungen sind die mit den Bezugszeichen V1–V4 gekennzeichneten und von der zur Ausstoßöffnung zeigenden Bläschenhälfte ausgehenden Richtungen mit der Druckkomponente V_A am meisten am Ausstoßvorgang beteiligt. Dieser Abschnitt ist deshalb von Bedeutung, weil dieser die Flüssigkeitsausstoßeffizienz, den Flüssigkeitsausstoßdruck und die Ausstoßgeschwindigkeit direkt beeinflusst. Die Komponente V1 ist die nächstgelegene bezüglich der mit dem Bezugszeichen V_A gekennzeichneten Ausstoßrichtung und deshalb die effektivste, während die Komponente V4 in Richtung V_A eine relativ kleine Wirkung hat.
Bei der in 5 gezeigten Konfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung bestimmt das bewegliche Element 31 die Druckfortpflanzungsrichtungen V1–V4 zur Ausstoßöffnung hin, so dass eine Konzentration der Fortpflanzung des vom Bläschen 40 erzeugten Drucks erfolgt, welche direkt und effektiv zum Ausstoßen beiträgt.
Das Wachsen des Bläschens erfolgt ebenfalls in den Fortpflanzungsrichtungen V1–V4 und demzufolge mehr zur Ausstoßseite als zur Zuführungsseite hin. Das heißt, die Wachstumsrichtung des Bläschens und demzufolge die Druckfortpflanzungsrichtung vom Bläschen aus wird vom beweglichen Element gesteuert und dieses Steuern fährt zu einer grundlegenden Verbesserung der Ausstoßeffizienz, einer Vergrößerung der Ausstoßkraft und einer Erhöhung der Ausstoßgeschwindigkeit.
Nachfolgend wird mit Bezug auf 2 der Flüssigkeitsausstoßkopf in dieser Ausführungsform detailliert beschrieben.
2(a) zeigt den Zustand vor dem Speisen des Wärme erzeugenden Elements 2 mit Elektroenergie, in welchem keine Wärme erzeugt wird. Anzumerken ist, dass in Flüssigkeitsfließrichtunq gesehen das bewegliche Element 31 mindestens den hinteren Abschnitt des vom Wärme erzeugenden Element erzeugten Bläschens berührt. Mit anderen Worten, der Flüssigkeitskanal muss so konfiguriert sein, dass dieser Bläschenabschnitt auf das bewegliche Element 31 wirkt und das bewegliche Element sich mindestens bis zu einer Stelle hinter der mit dem Bezugszeichen 3 gekennzeichnete Flächenmitte des Wärme erzeugenden Elements und im rechten Winkel zur Länge des Flüssigkeitskanals erstreckt.
2(b) zeigt den Zustand, in welchem durch Speisen des Wärme erzeugenden Elements 2 mit Elektroenergie Wärme erzeugt wird und die auf diese Weise erzeugte Wärme einen Teil der im Bläschenerzeugungsbereich 11 vorhandenen Flüssigkeit erwärmt, um durch Filmkochen ein Bläschen zu bilden.
In diesem Zustand wird durch den bei der Bildung des Bläschens 40 erzeugten Druck das bewegliche Element 31 von der ersten Stellung in die zweite Stellung ausgelenkt, wodurch die Druckfortpflanzung in Richtung Ausstoßöffnung erfolgt. Anzumerken ist, dass das freie Ende 32 des beweglichen Elements 31 auf der Ausstoßöffnungsseite und der Schwenkpunkt 33 auf der Seite der gemeinsamen Flüssigkeitskammer angeordnet ist, so dass mindestens ein Teil des beweglichen Elements sich hinter dem Bläschen, das heißt hinter dem Wärme erzeugenden Element befindet.
2(c) zeigt den Zustand, in welchem durch den aus der Bläschenbildung resultierenden Druck das Bläschen 40 weiter gewachsen ist und das bewegliche Element 31 weiter ausgelenkt wurdet. Das erzeugte Bläschen wächst mehr in Flüssigkeitsfließrichtung als entgegen dieser und vergrößert sich stark über die erste Stellung (gestrichelte Linie) des beweglichen Elements hinaus. Das heißt, in Übereinstimmung mit dem Wachsen des Bläschens 40 wird das bewegliche Element 31 allmählich ausgelenkt, so dass der Druck sich in die Richtung fortpflanzt, in welche die Volumenausdehnung des Bläschens leicht vonstatten geht, und das ist zur Ausstoßöffnung hin und führt zu einer Vergrößerung der Ausstoßeffizienz. Wenn das bewegliche Element das Bläschen und damit den Bläschenerzeugungsdruck auf die Ausstoßöffnung hin lenkt, beeinträchtigt dieses das Wachsen des Bläschens und die Druckfortpflanzung kaum, so dass in Übereinstimmung mit der Druckgröße die Druckfortpflanzungsrichtung und die Bläschenwachstumsrichtung gesteuert werden können.
2(d) zeigt den Zustand, in welchem durch die Druckabnahme im Bläschen 40 dieses sich zusammenzieht und verschwindet, und das ist das Eigentümliche des Filmkochphänomens.
Das in die zweite Stellung ausgelenkte bewegliche Element 31 kehrt durch seine Federwirkung und den Unterdruck infolge des Zusammenziehens des Bläschens in die in 2(a) dargestellte Ausgangsstellung (erste Stellung) zurück. Beim Zusammenfallen des Bläschens fließt Flüssigkeit aus der gemeinsamen Flüssigkeitskammer nach, gekennzeichnet durch die Bezugszeichen V_D1 und V_D2, und von der Ausstoßöffnungsseite her zurück, gekennzeichnet durch das Bezugszeichen V_C, um den Volumenverlust des Bläschens im Bläschenerzeugungsbereich 11 und den durch das Ausstoßen von Flüssigkeit entstandenen Volumenverlust auszugleichen.
Im vorhergehenden Abschnitt wurde die Arbeitsweise des beweglichen Elementes durch die Bläschenerzeugung und das Ausstoßen von Flüssigkeit beschrieben. Nachfolgend wird auf das Nachfüllen von Flüssigkeit im Flüssigkeitsausstoßkopf der vorliegenden Erfindung näher eingegangen.
Mit Bezug auf 2 wird jetzt der Flüssigkeitszufuhrmechanismus beschrieben.
Wenn nach Erreichen des Maximalvolumens gemäß 2(c) das Bläschen beginnt in sich zusammenzufallen, fließt zum Ausgleichen des Volumenverlusts von der Ausstoßöffnungsseite des ersten Flüssigkeitskanals 14 und vom Bläschenerzeugungsbereich des zweiten Flüssigkeitskanals 16 wieder Flüssigkeit in den Bläschenerzeugungsbereich.
Bei einem Flüssigkeitskanal herkömmlicher Konstruktion ohne das bewegliche Element 31 ist die von der Ausstoßöffnungsseite und die von der gemeinsamen Flüssigkeitskammer zur Bläschenkontraktionsstelle fließende Flüssigkeitsmenge vom Fließwiderstand des näher zur Ausstoßöffnung als zum Bläschenerzeugungsbereich gelegenen Abschnitts und dem des näher zur gemeinsamen Flüssigkeitskammer gelegenen Abschnitts abhängig.
Wenn der Fließwiderstand an der Ausstoßöffnungsseite kleiner ist als an der anderen Seite, fließt von der erstgenannten Seite eine große Flüssigkeitsmenge zur Bläschenkontraktionsstelle und bewirkt dadurch, dass der Meniskus sich weit zurückzieht. Mit einer Verringerung des Fließwiderstandes in der Ausstoßöffnung zum Zwecke der Erhöhung der Ausstoßeffizienz zieht der Meniskus M sich bis zur Bläschenkontraktionsstelle zurück, mit dem Ergebnis, dass die Auffüllzeit länger und dadurch Hochgeschwindigkeitsaufzeichnen schwierig wird.
Durch das bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorhandene bewegliche Element 31 wird das Zurückziehen des Meniskus zu dem Zeitpunkt gestoppt, in welchem beim Zusammenfallen des Bläschens das bewegliche Element in die Ausgangsstellung zurückkehrt, und danach strömt durch den mit dem Bezugszeichen V_D2 gekennzeichneten und durch den zweiten Flüssigkeitskanal 16 ablaufenden Fließvorgang wieder so viel Flüssigkeit nach, dass das mit dem Bezugszeichen W2 gekennzeichnete Volumen gefüllt wird (W1 kennzeichnet den Volumenanteil des Bläschens oberhalb der ersten Stellung des beweglichen Elements 31 und W2 den Volumenanteil des Bläschens im Bläschenerzeugungsbereich 11). Im Falle eines nach dem Stand der Technik konfigurierten Flüssigkeitskanals entspricht das Volumen des Meniskusrückzugs der Hälfte des Bläschenvolumens W, während bei einem Flüssigkeitskanal gemäß der vorliegenden Erfindung nur etwa die Hälfte davon (W1) das Volumen des Meniskusrückzugs ausmacht.
Außerdem erfolgt die Flüssigkeitszufuhr für das Volumen W2 hauptsächlich von der Flüssigkeitszuführseite aus (V_D2) über den zweiten Flüssigkeitskanal entlang der zum beweglichen Element 31 zeigenden Fläche des Wärme erzeugenden Elements unter Nutzung des beim Zusammenfallen des Bläschens entstehenden Unterdrucks, wodurch das Auffüllen beschleunigt wird.
Wenn bei einem herkömmlichen Kopf das Auffüllen unter Nutzung des beim Zusammenfallen des Bläschens entstehenden Unterdruckes erfolgt, tritt ein erhöhtes Schwingen des Meniskus ein, wodurch aber die Bildqualität verschlechtert wird. Gemäß dieser Ausführungsform wird ein Fließen der Flüssigkeit im ersten Flüssigkeitskanal 14 an der Ausstoßöffnungsseite und an der Ausstoßausgangsseite des Bläschenerzeugungsbereichs 11 unterdrückt und dadurch das Schwingen des Meniskus verringert.
Somit ist gemäß der vorliegenden Ausführungsform durch Zwangsauffüllen des Bläschenerzeugungsbereichs über die Flüssigkeitszuführstelle 12 des zweiten Flüssigkeitskanals 16 sowie durch Unterdrücken des Meniskusrückzugs und des Meniskusschwingens Hochgeschwindigkeitsauffüllen realisierbar. Demzufolge wird das Ausstoßen und wiederholtes Hochgeschwindigkeitsausstoßen stabilisiert, und wenn ein Kopf gemäß dieser Ausführungsform zum Aufzeichnen verwendet wird, ist eine Verbesserung der Bildqualität und eine Erhöhung der Aufzeichnungsgeschwindigkeit möglich.
Beim Kopf dieser Ausführungsform wird das Fortpflanzen des bei der Bläschenbildung erzeugten Drucks entgegen der Flüssigkeitsfließrichtung (Gegenwelle) effektiv unterdrückt. Der auf dem Wärme erzeugenden Element 2 bei der Bläschenbildung erzeugte Druck hat eine Komponente, welche die Flüssigkeit in Richtung der gemeinsamen Flüssigkeitskammer zurückdrückt (Gegenwelle). Durch den in Flüssigkeitsfließrichtung gesehen vor dem Wärme erzeugenden Element vorhandenen Druck und durch die daraus resultierende Bewegung der Flüssigkeit und Trägheitskraft verschlechtert sich das Auffüllen des Flüssigkeitskanals mit Flüssigkeit. Bei dieser Ausführungsform werden diese Wirkungen entgegen der Flüssigkeitsfleißrichtung durch das bewegliche Element 31 unterdrückt, wodurch eine weitere Verbesserung der Auffüllleistung erreicht wird.
Nachfolgend wird auf weitere charakteristische Merkmale und vorteilhafte Effekte näher eingegangen.
Bei dieser Ausführungsform ist der zweite Flüssigkeitskanal 16 nochmals unterteilt und die Innenwand des dabei gebildeten Unterabschnitts 12 verläuft in Flüssigkeitsfließrichtung gesehen vor dem Wärme erzeugenden Element 2 im wesentlichen eben zu diesem (die Oberfläche des Wärme erzeugenden Elements ist nicht übermäßig abgestuft). Bei dieser Konfiguration verläuft die Flüssigkeitszufuhr zur Oberfläche des Wärme erzeugenden Element 2 und zum Bläschenerzeugungsbereich 11 entlang der Oberfläche des beweglichen Elements 31 näher zum Bläschenerzeugungsbereich 11 hin, gekennzeichnet durch das Bezugszeichen V_D2. Dadurch wird ein Stagnieren der Flüssigkeit auf der Oberfläche des Wärme erzeugenden Elements 2 und somit das Ausscheiden des in der Flüssigkeit gelösten Gases unterdrückt, so dass das Entfernen nicht verschwundener Restbläschen problemlos erfolgen kann und kein allzu großer Wärmestau in der Flüssigkeit entsteht. Demzufolge ist wiederholte stabile Bläschenerzeugung bei hoher Geschwindigkeit möglich. Bei dieser Ausführungsform hat der Flüssigkeitskanalunterabschnitt 12 eine im wesentlichen ebene Innenwand, doch dieser Flüssigkeitskanal ist nicht auf diese Konfiguration beschränkt und kann beliebig ausgeführt werden, wenn dessen Innenwand von der Oberfläche des Wärme erzeugenden Elements aus glatt verläuft und eine Flüssigkeitsstagnation auf dem Wärme erzeugenden Element sowie eine Wirbelbildung bei der Flüssigkeitszufuhr nicht eintreten.
Die mit dem Bezugszeichen V_D1 gekennzeichnete Flüssigkeitsmohr in den Bläschenerzeugungsbereich kann durch einen Spalt (Schlitz 35) am freien Ende des beweglichen Elements erfolgen. Um den bei der Bläschenbildung erzeugten Druck noch effektiver auf die Ausstoßöffnung zu lenken, kann ein den gesamten Bläschenerzeugungsbereich (die Oberfläche des Wärme erzeugenden Elements) überdeckendes großes bewegliches Element verwendet werden, wie aus 2 zu erkennen ist. Durch das Zurückschwenken des beweglichen Elements in die erste Stellung wird der Flüssigkeitsfließwiderstand zwischen dem Bläschenerzeugungsbereich 11 und dem Bereich des ersten Flüssigkeitskanals 14 nahe der Ausstoßöffnung vergrößert und dadurch das Fließen der Flüssigkeit zum Bläschenerzeugungsbereich 11 entlang V_D1 unterdrückt. Die bei der Kopfkonfiguration gemäß dieser Ausführungsform auftretende Flüssigkeitsströmung unterstützt die Flüssigkeitszufuhr zum Bläschenerzeugungsbereich und verbessert die Flüssigkeitsfließleistung merklich, so dass selbst dann, wenn zur Verbesserung der Ausstoßeffizienz das bewegliche Element 31 den Bläschenerzeugungsbereich 11 vollständig bedeckt, die Flüssigkeitsfließleistung nicht beeinträchtigt wird.
Die positionelle Beziehung zwischen dem freien Ende 32 und dem Auslenkpunkt 33 des beweglichen Elements 31 zeigt 6, bei welcher in Flüssigkeitsfleißrichtung gesehen das freie Ende hinter dem Auslenkpunkt liegt. Durch diese Konstruktion können bei der Bläschenerzeugung Funktion und Wirkung des Hinlenkens der Druckfortpflanzung und des Bläschenwachstums zur Ausstoßöffnung und das Ablaufen anderer positiver Vorgänge effektiv gewährleistet werden.
Diese positionelle Beziehung hat aber nicht nur Einfluss auf das Ausstoßen selbst, sondern bewirkt auch eine Verringerung des Fließwiderstandes durch den Flüssigkeitskanalunterabschnitt 10 beim Zuführen von Flüssigkeit und ermöglicht Hochgeschwindigkeitsauffüllen. Wenn, wie in 6 dargestellt, der nach dem Ausstoßvorgang zurückgezogene Meniskus M durch Kapillarwirkung oder durch Flüssigkeitszufuhr zum Kompensieren des Volumens beim Zusammenfallen des Bläschens wieder zur Ausstoßöffnung 18 zurückgelangt, bewirken die Lage des freien Endes 32 und die des Auslenkpunktes, dass die Strömungen S₁, S₂ und S₃ durch den Flüssigkeitskanalunterabschnitt 10 einschließlich den ersten Flüssigkeitskanal 14 und den zweiten Flüssigkeitskanal 16 nicht beeinträchtigt werden.
Genauer ausgedrückt, bei der beschriebenen Ausführungsform liegt in Flüssigkeitsfließrichtung gesehen das freie Endes 32 des beweglichen Elements 31 hinter der mit dem Bezugszeichen 3 gekennzeichneten und im rechten Winkel zur Längsrichtung des Flüssigkeitskanals verlaufenden Mittelinie des Wärme erzeugenden Elements 2, welche dessen Fläche in zwei Bereiche teilt. Das bewegliche Element 31 nimmt den Druck und das Bläschen, welche in Flüssigkeitsfleißrichtung gesehen den hinter der Mittellinie 3 des Wärme erzeugenden Elements liegenden Bereich beeinflussen, auf und lenkt diese so gegen die Ausstoßöffnung, dass die Ausstoßeffizienz grundlegend verbessert oder die Ausstoßkraft erhöht wird.
Weitere vorteilhafte Effekte entstehen in Flüssigkeitsfließrichtung gesehen auch vor dem Bläschen, worauf bereits eingegangen wurde.
Bei dieser Ausführungsform wird auch die momentane mechanische Bewegung des freien Endes des beweglichen Elements als positiver Faktor für das Ausstoßen der Flüssigkeit angesehen.
<Ausführungsform 2>
7 zeigt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dabei zeigt A ein ausgelenktes bewegliches Element ohne Bläschen und B dieses bewegliche Element in der Ausgangsstellung (erste Stellung), wobei der Bläschenerzeugungsbereich 11 zur Ausstoßöffnung 18 hin im wesentlichen abgedichtet ist. Zwischen den beiden beweglichen Elementen A und B ist eine in dieser Figur nicht dargestellte Trennwand im Flüssigkeitskanal angeordnet, um diesen Flüssigkeitskanal zu unterteilen.
An jeder Seite ist eine Stütze 34 vorgesehen, und zwischen diesen ein Flüssigkeitszufuhrabschnitt 12. Bei dieser Konstruktion kann die Flüssigkeit entlang der Oberfläche des dem Wärme erzeugenden Element gegenüberliegenden beweglichen Element und vom Flüssigkeitskanal mit einer zur Oberfläche des Wärme erzeugenden Elements im wesentlichen eben oder gleichmäßig verlaufenden Oberfläche zugeführt werden.
Wenn das bewegliche Element 31 sich in der Ausgangsstellung (erste Stellung) befindet, liegt dieses nahe an der hinter dem Wärme erzeugenden Element 2 angeordneten Wand 36 oder berührt diese und an den Seitenwänden 37 des Wärme erzeugenden Elements an und dichtet dadurch den Bläschenerzeugungsbereich 11 im wesentlich gegen die Ausstoßöffnung 18 ab. Dadurch kann der bei der Bläschenbildung erzeugte Druck, besonders der in Fließrichtung hinter dem Bläschen auftretende Druck in dem am freien Ende des beweglichen Elements vorhandenen Bereich ohne Verlust konzentriert werden.
Beim Zusammenfallen des Bläschens schwenkt das bewegliche Element 31 in die erste Stellung zurück und dichtet den Bläschenerzeugungsbereich 11 im wesentlichen ab, wodurch das Zurückziehen des Meniskus unterbunden wird und die Flüssigkeitszufuhr zum Wärme erzeugenden Element unter Nutzung der beschriebenen Vorteile erfolgt. Hinsichtlich des Auffüllens können die gleichen vorteilhaften Effekte wie bei der vorhergehenden Ausführungsform erreicht werden.
Bei dieser Ausführungsform ist die Stütze 34 zum Stützen und Fixieren des beweglichen Elements 31 etwas entfernt vor dem Wärme erzeugenden Element 2 angeordnet, wie die 3 und 7 zeigen, und die Breite der Stütze 34 ist schmaler als der Flüssigkeitskanalunterabschnitt 10, um dem Flüssigkeitskanalabschnitt 12 Flüssigkeit zuzuführen. Die Konfiguration der Stütze 34 ist nicht auf die dargestellte Konstruktion beschränkt, sondern kann beliebig ausgeführt werden, wenn glattes Auffüllen gewährleistet wird.
Bei dieser Ausführungsform beträgt der Abstand zwischen dem beweglichen Element 31 und dem Wärme erzeugenden Element 2 etwa 15 μm, kann aber verändert werden, wenn das Fortpflanzen des bei der Bläschenbildung erzeugten Drucks auf das bewegliche Element gewährleistet wird.
<Ausführungsform 3>
8 zeigt einen der grundlegenden Aspekte der vorliegenden Erfindung, das heißt die positionelle Beziehung zwischen dem Bläschenerzeugungsbereich, dem Bläschen selbst und dem im Flüssigkeitskanal angeordneten beweglichen Element, welche zur Beschreibung des Flüssigkeitsausstoßverfahrens und des Auffüllvorgangs herangezogen wird.
Bei der vorher beschriebenen Ausführungsform wird der durch das gebildete Bläschen erzeugte Druck am freien Ende des beweglichen Elements konzentriert, um das bewegliche Element schnell auszulenken und die Bewegung des Bläschens zur Ausstoßöffnung hin zu lenken. Bei dieser Ausführungsform bewegt das Bläschen sich noch relativ frei und der zur Ausstoßöffnung hin gerichtete Teil des Bläschens, welcher den Tröpfchenausstoß bewirkt, wird vom freien Ende des beweglichen Elements manipuliert.
Genauer ausgedrückt, der in 3 dargestellte, auf dem Substrat für das Wärme erzeugende Element angeordnete und als Barriere dienende Ausleger (schraffierter Abschnitt) 1 ist bei dieser Ausführungsform nicht vorhanden. Bei dieser Ausführungsform dichten das freie Ende und die Seiten des beweglichen Elements den Bläschenerzeugungsbereich nicht gegen die Ausstoßöffnung hin ab, sondern öffnen diesen.
Bei dieser Ausführungsform wächst das Bläschen in Richtung auf die Abschnitte, welche das Ausstoßen des Flüssigkeitströpfchens direkt bewirken, so dass diese Druckkomponente effektiv zum Ausstoßen genutzt wird. Der in diesem unteren Abschnitt nach oben gerichtet Druck (Kraftkomponenten V_B2, V_B3 und V_B4) bewirkt, dass das freie Ende des beweglichen Elements das Wachsen des Bläschens nach vorn begünstigt und dadurch die Ausstoßeffizienz ähnlich wie bei der vorhergehenden Ausführungsform verbessert wird. Im Vergleich zu dieser ist hier aber eine bessere Ansprechempfindlichkeit beim Ansteuern des Wärme erzeugenden Elements zu verzeichnen.
Aufgrund der einfachen Konstruktion dieser Ausführungsform ist auch die Herstellung einfach.
Bei dieser Ausführungsform befindet der Auslenkpunkt des beweglichen Elements sich auf einer Stütze 34, deren Breite geringer ist als die der Oberfläche des beweglichen Elements. Dadurch erfolgt beim Zusammenfallen des Bläschens die Flüssigkeitszufuhr zum Bläschenerzeugungsbereich 11 entlang der beiden Seiten der Stütze (gekennzeichnet durch die beiden Pfeile). Die Stütze kann aber auch anders konfiguriert werden, wenn diese genügende Flüssigkeitsmohr gewährleistet.
Bei dieser Ausführungsform steuert beim Zusammenfallen des Bläschens das bewegliche Element das effektive Nachfließen der Flüssigkeit in den Bläschenerzeugungsbereich von der Zuführseite her, wodurch das Auffüllen besser abläuft als bei einer herkömmlichen Konfiguration des Bläschenerzeugungsbereiches, welcher nur das Wärme erzeugenden Element aufweist. Dadurch wird auch das Zurückziehen des Meniskus abgeschwächt.
Bei einer bevorzugten modifizierten dritten Ausführungsform sind beide Längsseiten (oder nur eine Längsseite) des beweglichen Elements zum Bläschenerzeugungsbereich 11 hin im wesentlichen abgedichtet. Bei dieser Konstruktion wird der auf beide Längsseiten des beweglichen Elements wirkende Druck ebenfalls zur Ausstoßöffnung hin gelenkt und dadurch die Ausstoßeffizienz weiter verbessert.
<Ausführungsform 4>
Bei der nachfolgend beschriebenen Ausführungsform ist eine weitere Vergrößerung der Flüssigkeitsausstoßkraft durch mechanisches Auslenken zu verzeichnen. 9 zeigt die Schnittansicht dieser Ausführungsform. Wie aus dieser Figur zu erkennen ist, liegt das freie Ende des beweglichen Elements 31 noch weitere hinter dem Wärme erzeugenden Element. Diese Anordnung führt dazu, dass beim Auslenken des beweglichen Elements dessen freies Ende sich noch schneller bewegt und der Ausstoßdruck weiter gesteigert wird.
Außerdem liegt das freie Ende des beweglichen Elements näher an der Ausstoßöffnung als bei der vorhergehenden Ausführungsform, so dass das Wachsen des Bläschens in der stabilisierten Richtung konzentriert und dadurch das Ausstoßen verbessert werden kann.
Beim Wachsen des Bläschens wird der in der Bläschenmitte liegende Abschnitt des beweglichen Elements 31 mit einer Geschwindigkeit R1 und dessen vom Auslenkpunkt 33 weiter entfernt liegendes freies Ende 32 mit der höheren Geschwindigkeit R2 ausgelenkt. Dadurch wirkt das freie Ende 32 mit einer höheren Geschwindigkeit mechanisch auf die Flüssigkeit und verbessert somit die Ausstoßeffizienz.
Das freie Ende ist wie in 8 gezeigt konfiguriert, das heißt, dessen Kante erstreckt sich im rechten Winkel zur Flüssigkeitsfließrichtung, wodurch der Bläschendruck und die mechanische Wirkung des beweglichen Elements noch effektiver zum Ausstoßen beitragen.
<Ausführungsform 5>
Die 10(a), (b) und (c) zeigen eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Im Gegensatz zur vorhergehenden Ausführungsform hat der mit der Ausstoßöffnung direkt in Verbindung stehende Bereich keine Verbindung zur Flüssigkeitskammer, so dass daraus eine vereinfachte Konstruktion resultiert.
Die Flüssigkeit wird nur vom Flüssigkeitskanal 12 entlang der Oberfläche des im Bläschenerzeugungsbereich liegenden beweglichen Elements 31 zugeführt, während das freie Ende 32 des beweglichen Elements 31, die positionelle Beziehung zwischen dem Auslenkpunkt 33 und der Ausstoßöffnung 18 und der dem Wärme erzeugenden Element gegenüberliegende Abschnitt ähnlich wie bei der vorhergehenden Ausführungsform konfiguriert sind.
Bei dieser Ausführungsform werden die Ausstoßeffizienz, die Flüssigkeitszufuhr usw. verbessert. Außerdem wird das Zurückziehen des Meniskus unterdrückt und besonders durch Nutzung des beim Zusammenfallen des Bläschens entstehenden Unterdrucks Zwangsauffüllen realisiert.
10(a) zeigt den Zustand, in welchem durch das Wärme erzeugende Element Bläschenerzeugung ausgelöst wird, 10(b) den Zustand, in welchem das Zusammenziehen des Bläschens beginnt, dabei das bewegliche Element 31 in die Ausgangsstellung zurückgeschwenkt und Flüssigkeit in Pfeilrichtung S3 zugeführt wird.
10(c) zeigt, auf welche Weise das geringfügige Zurückziehen des Meniskus M beim Zurückschwenken des beweglichen Elements in die Ausgangsstellung durch das Auffüllen von Flüssigkeit infolge der in der Nähe der Ausstoßöffnung 18 auftretenden Kapillarwirkung kompensiert wird.
<Ausführungsform 6>
Nachfolgend wird eine weitere Ausführungsform beschrieben.
Bei dieser Ausführungsform ist das Prinzip des Ausstoßens von Flüssigkeit das gleiche wie bei der vorhergehenden Ausführungsform, der Flüssigkeitskanal aber in mehrere Abschnitte unterteilt und die Flüssigkeit zur Bläschenerzeugung durch Wärme und die hauptsächlich auszustoßende Flüssigkeit sind voneinander getrennt.
11 zeigt schematisch die Schnittansicht des Flüssigkeitsausstoßkopfes dieser Ausführungsform entlang des Flüssigkeitskanals.
Beim Flüssigkeitsausstoßkopf dieser Ausführungsform ist auf dem Substrat 1 ein zweiter Flüssigkeitskanal 16 mit einem darin angeordneten Wärme erzeugenden Element zur Erzeugung der für die Bläschenbildung in der Flüssigkeit erforderlichen Wärmeenergie und ein über diesem liegender und mit der Ausstoßöffnung 18 direkt in Verbindung stehender erster Flüssigkeitskanal 14 zum Ausstoßen von Flüssigkeit vorhanden.
Der erste Flüssigkeitskanal ist mit einer ersten gemeinsamen Flüssigkeitskammer 15 zum Zuführen von Ausstoßflüssigkeit zu den einzelnen ersten Flüssigkeitskanälen und der zweite Flüssigkeitskanal mit einer zweiten gemeinsamen Flüssigkeitskammer zum Zuführen von Bläschenerzeugungsflüssigkeit zu den einzelnen zweiten Flüssigkeitskanälen verbunden.
Wenn für die Bläschenerzeugung und für das Ausstoßen die gleiche Flüssigkeit verwendet wird, reicht eine gemeinsame Flüssigkeitskammer aus.
Zwischen dem ersten und dem zweiten Flüssigkeitskanal ist eine aus elastischem Material wie Metall gefertigte Trennwand 30 angeordnet, um beide Flüssigkeitskanäle voneinander zu trennen. Diese Trennwand gestattet nur ein minimales Vermischen der Bläschenerzeugungsflüssigkeit mit der Ausstoßflüssigkeit. Wenn ein stärkeres Vermischen beider Flüssigkeiten gestattet wird, macht eine vollkommenes Trennen der beiden Flüssigkeitskanale voneinander sich nicht erforderlich.
Wie 11 zeigt, ist der im Bereich des Wärme erzeugenden Elements liegende Abschnitt der Trennwand (Ausstoßdruck erzeugender Bereich einschließlich A und B (Bläschenerzeugungsbereich 11)) mit Schlitzen 35 versehen, um ein bewegliche Element 31 in Form eines Auslegers zu erzeugen, dessen Auslenkpunkt 33 in Flüssigkeitsfließrichtung gesehen hinter der gemeinsamen Flüssigkeitskammer (15, 17) und dessen freies Ende in dieser Richtung vor der Ausstoßöffnung liegt. Das bewegliche Element 31 wird bei der Bläschenerzeugung in der Bläschenerzeugungsflüssigkeit zur Oberseite des ersten Flüssigkeitskanals (Pfeilrichtung) ausgelenkt und öffnet dabei den zweiten Flüssigkeitskanal zur Ausstoßöffnung hin. Auch bei dem in 12 gezeigten Beispiel ist eine Trennwand 30 vorhanden, durch welche oberhalb des Substrats 1 ein zweiter Flüssigkeitskanal gebildet wird, der mit einem Wärme erzeugenden Widerstand als Wärme erzeugendes Element und mit Verdrahtungselektroden 5 zum Übertragen eines elektrischen Signals an den Wärme erzeugenden Widerstand bestückt ist.
Die positionelle Beziehung zwischen dem Auslenkpunkt 33 und dem bewegliche Endes 32 des beweglichen Elements 31 und dem Wärme erzeugenden Element ist die gleiche wie beim vorhergehenden Beispiel.
Im vorhergehenden Beispiel wurde die Beziehung zwischen der Konfiguration des Flüssigkeitskanals 12 und der des Wärme erzeugenden Elements beschrieben. Die Beziehung zwischen dem zweiten Flüssigkeitskanal 16 und dem Wärme erzeugenden Element 2 entspricht der dieser Ausführungsform.
Nachfolgend wird in Verbindung mit 13 die Arbeitsweise des Flüssigkeitsausstoßkopfes dieser Ausführungsform beschrieben.
Die im ersten Flüssigkeitskanal 14 verwendete Ausstoßflüssigkeit und die im zweiten Flüssigkeitskanal 16 verwendete Bläschenerzeugungsflüssigkeit sind gleich und als diese kommt eine Tinte auf Wasserbasis zum Einsatz.
Durch die vom Wärme erzeugenden Element 2 erzeugte Wärme und das bereits beschriebene Filmkocher wird in der im Bläschenerzeugungsbereich des zweiten Flüssigkeitskanals vorhandenen Bläschenerzeugungsflüssigkeit ein Bläschen 40 gebildet.
Bei dieser Ausführungsform wird der Bläschenerzeugungsdruck nicht in die drei Richtungen freigegeben, wie das in Flüssigkeitsfließrichtung gesehen im vorderen Abschnitt des Bläschenerzeugungsbereichs der Fall ist, sondern konzentriert auf das bewegliche Element 31 gerichtet und dieses beim Wachsen des Bläschens von der in 13(a) gezeigten Stellung in die in 13(b) gezeigten Stellung ausgelenkt. Durch das Auslenken des beweglichen Elements wird der zweite Flüssigkeitskanal 16 zum ersten Flüssigkeitskanal 14 weit geöffnet und dadurch der bei der Bläschenbildung erzeugte Druck hauptsächlich auf den ersten Flüssigkeitskanal 14 und weiter zur Ausstoßöffnung (in Richtung A) gelenkt. Durch die Druckfortpflanzung und das mechanische Auslenken des beweglichen Elements wird Flüssigkeit durch die Ausstoßöffnung ausgestoßen.
Beim Zusammenziehen des Bläschens schwenkt das bewegliche Element 31 in die in 13(a) gezeigte Stellung zurück, wobei Flüssigkeit in der Menge, welche der Ausstoßmenge entspricht, aus dem vorderen Teil des ersten Flüssigkeitskanals 14 zugeführt wird. Bei dieser Ausführungsform verläuft die Flüssigkeitszuführrichtung koordiniert mit dem Schließen des beweglichen Elements wie bei den vorherigen Ausführungsformen und das Auffüllen der Flüssigkeit wird vom beweglichen Element nicht beeinflusst.
Die bei dieser Ausführungsform durch das Auslenken des beweglichen Elements aufgrund der Fortpflanzung des bei der Bläschenbildung erzeugten Drucks, durch das richtungsorientierte Bläschenwachstum und durch das Verhindern einer Gegenwelle erzielten Effekte sind die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform, doch die Zweikanalkonstruktion bietet die nachfolgend beschriebenen Vorteile.
Die Ausstoßflüssigkeit und die Bläschenerzeugungsflüssigkeit können voneinander getrennt werden und durch den in der Bläschenerzeugungsflüssigkeit aufgebauten Druck wird die Ausstoßflüssigkeit ausgestoßen. Demzufolge kann eine stark viskose Flüssigkeit wie Polyäthylenglykol oder eine ähnliche Flüssigkeit, welche trotz Aufbringens von Wärme bisher keine ausreichende Bläschenerzeugung und somit Ausstoßkraft und dadurch keine gute Ausstoßleistung hervorbrachte, nun effektiv ausgestoßen werden, indem zum Beispiel diese dem ersten Flüssigkeitskanal und eine Flüssigkeit mit guter Bläschenerzeugungseigenschaft als Bläschenerzeugungsflüssigkeit dem zweiten Flüssigkeitskanal zugeführt wird. Als Bläschenerzeugungsflüssigkeit wird zum Beispiel ein Gemisch aus Äthanol und Wasser im Verhältnis 4:6 mit einer Viskosität von 1–2 cP verwendet, welche effektives Ausstoßen der Ausstoßflüssigkeit ermöglicht.
Außerdem wird zur Stabilisierung der Bläschenerzeugung und damit Gewährleistung des effektiven Ausstoßens als Bläschenerzeugungsflüssigkeit eine Flüssigkeit ausgewählt, bei welcher auch beim Aufbringen von Wärme keine Ablagerungen auf der Oberfläche des Wärme erzeugenden Elements verbleiben. Die bei den vorhergehenden Ausführungsformen erzielten Effekte können auch bei dieser Ausführungsform erreicht werden, so dass auch eine stark viskose Flüssigkeit oder eine ähnliche Flüssigkeit sehr effektiv und bei hohem Ausstoßdruck ausgestoßen werden kann.
Demzufolge kann auch eine Flüssigkeit ohne Dauerbeständigkeit gegen Wärme dadurch effektiv und bei hohem Druck und ohne thermische Beeinflussung ausgestoßen werden, indem diese als Ausstoßflüssigkeit dem ersten Flüssigkeitskanal und eine Flüssigkeit mit hoher Wärmebeständigkeit und guter Bläschenerzeugungseigenschaft dem zweiten Flüssigkeitskanal zugeführt wird.
<Andere Ausführungsformen>
Die bisherigen Beschreibungen bezogen sich auf Hauptteile des Flüssigkeitsausstoßkopfes und auf das Flüssigkeitsausstoßverfahren gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Nachfolgend werden weitere Details der bisher beschriebenen Ausführungsformen behandelt. Die genannten Beispiele können sowohl bei der Einkanalvariante als auch bei der Zweikanalvariante verwendet werden, ohne dass näher darauf eingegangen wird.
<Deckenkonfiguration des Flüssigkeitskanals>
14 zeigt die Schnittansicht des Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß dieser Ausführungsform entlang dem Flüssigkeitskanal. Die zur Bildung der ersten Flüssigkeitskanäle 14 (oder 10 in 2) benötigten Nuten wurden in einem auf der Trennwand 30 vorhandenen Bauteil 50 erzeugt. Bei dieser Ausführungsform ist die Flüssigkeitskanalhöhe im Bereich des freien Endes 32 des beweglichen Elements größer als bei den bisherigen Ausführungsformen, um einen größeren Auslenkwinkel 8 für das bewegliche Element zu erhalten. Der Auslenkbereich des beweglichen Elements wird durch die Konfiguration des Flüssigkeitskanals, die Haltbarkeit des beweglichen Elements, die Bläschenerzeugungsleistung oder ähnlichen Parametern bestimmt. Dieser Bereich sollte sich über einen Winkel erstrecken, welcher die Lage der Ausstoßöffnung einschließt.
Wie 14 zeigt, liegt das freie Ende des ausgelenkten beweglichen Elements höher als die Oberkante der Ausstoßöffnung, um eine ausreichenden Ausstoßdruck zu übertragen. Wie aus dieser Figur ebenfalls zu erkennen ist, liegt am Auslenkpunkt 33 des beweglichen Elements die Flüssigkeitskanaldecke niedriger als an dessen beweglichem Ende, so dass beim Auslenken des beweglichen Elements das Ausbreiten der Druckwelle entgegen Flüssigkeitsfließrichtung noch besser verhindert wird.
<Positionelle Beziehung zwischen dem zweiten Flüssigkeitskanal und dem beweglichen Element>
15 zeigt die positionelle Beziehung zwischen dem genannten beweglichen Element 31 und dem zweiten Flüssigkeitskanal 16, dabei zeigt 15(a) die Draufsicht des in der Trennwand 30 erzeugten beweglichen Elements, 15(b) die Draufsicht des zweiten Flüssigkeitskanals ohne Trennwand 30 und 15(c) schematisch die positionelle Beziehung zwischen dem beweglichen Element 31 und dem zweiten Flüssigkeitskanal 16 mit den übereinander angeordneten Elementen. In diesen Figuren ist der dargestellte Boden die Vorderseite des in die Ausstoßöffnung auslaufenden Flüssigkeitskanals.
Der zweite Flüssigkeitskanal 16 dieser Ausführungsform ist in Flüssigkeitsfließrichtung von der zweiten gemeinsamen Flüssigkeitskammer über das Wärme erzeugende Element und das bewegliche Element zur Ausstoßöffnung hin gesehen vor dem Wärme erzeugenden Element 2 als Drossel 19 konfiguriert, um eine Kammer (Bläschenerzeugungskammer) zu erzeugen, welche das Ausbreiten des bei der Bläschenbildung im zweiten Flüssigkeitskanal 16 erzeugten Drucks entgegen Flüssigkeitsfließrichtung unterbindet.
Bei einem herkömmlichen Kopf, bei welchem der Flüssigkeitskanal zur Bläschenerzeugung auch der Flüssigkeitskanal zum Ausstoßen der Flüssigkeit ist, kann die Drossel ebenfalls vorgesehen werden, um das Ausbreiten des vom Wärme erzeugenden Element erzeugten Drucks zur Flüssigkeitskammer hin zu unterdrücken, doch in diesem Fall darf bei Beachtung des ausreichenden Auffüllens von Flüssigkeit der Drosselquerschnitt nicht zu klein ausgelegt werden.
Bei dieser Ausführungsform kommt der größte Teil der ausgestoßenen Flüssigkeit aus dem ersten Flüssigkeitskanal und von der im zweiten Flüssigkeitskanal mit dem Wärme erzeugenden Element vorhandenen Bläschenerzeugungsflüssigkeit wird wenig verbraucht, so dass nur eine geringe Menge davon in den Bläschenerzeugungsbereich 11 nachlaufen muss. Das heißt, der Drosseldurchgang 19 kann etwa nur einige 10 μm betragen, um das Ausbreiten des im zweiten Flüssigkeitskanal erzeugten Drucks entgegen Flüssigkeitsfließrichtung zu unterdrücken und zum beweglichen Element hin zu konzentrieren. Über das bewegliche Element 31 kann der erzeugte Druck als Ausstoßdruck verwendet und dadurch ein hoher Ausnutzungsgrad der Ausstoßenergie erreicht werden. Der zweite Flüssigkeitskanal 16 ist nicht auf die beschriebene Konfiguration beschränkt, sondern kann jede Form haben, sofern diese den bei der Bläschenbildung erzeugten Druck effektiv auf das bewegliche Element lenkt.
Wie 15(c) zeigt, überdecken die beiden Längsseiten des beweglichen Elements 31 die entsprechenden Abschnitte der den zweiten Flüssigkeitskanal bildenden Trennwände, um das Hineinziehen des beweglichen Elements 31 in den zweiten Flüssigkeitskanal zu verhindern. Dadurch wird das Trennen der Ausstoßflüssigkeit von der Bläschenerzeugungsflüssigkeit weiter verbessert. Außerdem kann das Austreten des Bläschens durch den vorhandenen Schlitz verhindert und somit eine Erhöhung des Ausstoßdrucks und der Ausstoßeffizienz erreicht werden. Auch das beschriebene Auffüllen von Flüssigkeit von der Zuführseite her durch den beim Zusammenfallen des Bläschens erzeugten Unterdruck kann dadurch verbessert werden.
Wie die 13(b) und 14 zeigen, dringt beim Auslenken des beweglichen Elements in den ersten Flüssigkeitskanal ein Teil des im Bläschenerzeugungsbereich des zweiten Flüssigkeitskanals 16 erzeugten Bläschens ebenfalls in den ersten Flüssigkeitskanal 14. Durch richtige Wahl der Höhe des zweiten Flüssigkeitskanals, welche ein solches Eindringen des Bläschens in den ersten Flüssigkeitskanal ermöglicht, wird im Vergleich zu dem Fall, bei welchem dieses Eindringen nicht möglich ist, die Ausstoßkraft weiter vergrößert. Aus dem Grund wird die Höhe des zweiten Flüssigkeitskanals kleiner gehalten als die Höhe des maximalen Bläschens und beträgt einige μm bis 30 μm. Bei dieser Ausführungsform beträgt diese 15 μm.
<Bewegliches Element und Trennwand>
16 zeigt ein weiteres Beispiel des beweglichen Elements 31, wobei das Bezugszeichen 35 den in der Trennwand erzeugten Schlitz kennzeichnet, durch welchen das bewegliche Element gebildet wird. Das in 16(a) dargestellte bewegliche Element 31 hat Rechteckform, das in 16(b) dargestellte bewegliche Element ist zum Auslenkpunkt hin schmaler gestaltet, um dessen Beweglichkeit zu vergrößern, und das in 16(c) dargestellte ist zum Auslenkpunkt hin breiter ausgeführt, um dessen Haltbarkeit zu verlängern. Das in 15(a) dargestellte, zum Auslenkpunkt hin bogenförmig eingeschnürte bewegliche Element wird bevorzugt, weil diese Konfiguration das Auslenken erleichtert und die Haltbarkeit verlängert. Das bewegliche Element ist jedoch nicht auf die beschriebene Konfiguration beschränkt, sonder kann jede Form haben, sofern diese das Hineinziehen des beweglichen Elements in den zweiten Flüssigkeitskanal verhindert und ein leichtes Auslenken bei langer Haltbarkeit ermöglicht.
Bei den vorhergehenden Ausführungsformen wurde die Trennwand 30 mit dem in dieser vorhandenen beweglichen Element 31 in Plättchen- oder Filmform aus Nickel mit einer Dicke von 5 μm gefertigt, doch diese ist nicht auf dieses Beispiel beschränkt und kann aus irgendeinem Material gefertigt werden, sofern dieses sich in der Bläschenerzeugungsflüssigkeit und in der Ausstoßflüssigkeit nicht auflöst, die zum Auslenken des beweglichen Elements erforderliche Elastizität aufweist und die Erzeugung des feinen Schlitzes ermöglicht.
Zu den bevorzugten haltbaren Werkstoffen für das bewegliche Element gehören Metalle wie Silber, Nickel, Gold, Eisen, Titan, Aluminium, Platin, Tantal, nichtrostender Stahl, Phosphorbronze und ähnliche, Legierungen daraus, Kunstharze mit einer Nitrylgruppe wie Akrylonitryl, Butadien, Styrol oder ähnliches Material, Kunstharze mit einer Amidgruppe wie Polyamid oder ähnliches Material, Kunstharze mit eine Karboxylgruppe wie Polykarbonat oder ähnliches Material, Kunstharze mit einer Aldehydgruppe wie Polyazetal oder ähnliches Material, Kunstharze mit einer Sulfongruppe wie Polysulfon, Kunstharze wie Flüssigkristallpolymer oder ähnliches Material bzw. chemische Verbindungen daraus, tintenbeständige Materialien wie Gold, Wolfram, Tantal, Nickel, nichtrostender Stahl, Titan und Legierungen daraus, Werkstoffe, welche mit solchen Materialien beschichtet sind, Kunstharze mit einer Amidgruppe wie Polyamid, Kunstharze mit einer Aldehydgruppe wie Polyazetal, Kunstharze mit einer Ketongruppe wie Polyätherätherketon, Kunstharze mit einer Imidgruppe wie Polyimid, Kunstharze mit einer Hydroxylgruppe wie Phenolharz, Kunstharze mit einer Äthylgruppe wie Polyäthylen, Kunstharze mit einer Alkylgruppe wie Polypropylen, Kunstharze mit einer Epoxidgruppe wie Epoxidharz, Kunstharze mit einer Aminogruppe wie Melaminharz, Kunstharze mit einer Methylgruppe wie Xylenharz, chemische Verbindungen daraus, sowie Keramik wie Siliziumdioxid oder chemische Verbindungen daraus.
Bevorzugte Werkstoffe zur Fertigung der Trenn- oder Teilungswand sind Kunstharze mit großer Hitze- und Auflösungsbeständigkeit sowie guter Gießeigenschaft, genauer ausgedrückt handelt es sich um neuentwickelte Plaste wie Polyäthylen, Polypropylen, Polyamid, Polyäthylenterephthalat, Melaminharz, Phenolharz, Epoxidharz, Polybutadien, Polyurethan, Polyätherätherketon, Polyäthersulfon, Polyallylat, Polyamid, Polysulfon, Flüssigkristallpolymer oder chemische Verbindungen daraus oder Metalle wie Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Nickel, Gold, nichtrostender Stahl, Legierungen daraus und mit Titan oder Gold beschichtete Werkstoffe.
Die Dicke der Trennwand wird in Abhängigkeit vom verwendeten Werkstoff, von der Konfiguration in bezug auf Festigkeit und von der Beweglichkeit des beweglichen Elements bestimmt, bevorzugt wird im allgemeinen eine Dicke von etwa 0,5 μm bis 10 μm.
Die Breite des Schlitzes 35 zur Erzeugung des beweglichen Elements 31 beträgt bei diesen Ausführungsformen 2 μm. Wenn die Bläschenerzeugungsflüssigkeit sich von der Ausstoßflüssigkeit unterscheidet und ein Mischen beider Flüssigkeiten verhindert werden soll, wird der Spalt so ausgelegt, dass zwischen beiden Flüssigkeiten ein Meniskus entsteht. Wenn die Bläschenerzeugungsflüssigkeit zum Beispiel eine Viskosität von etwa 2 cP und die Ausstoßflüssigkeit eine Viskosität von nicht weniger als 100 cP hat, reicht ein Schlitz von etwa 5 μm aus, ein Vermischen der beiden Flüssigkeiten zu verhindern, bevorzugt wird aber eine Schlitzbreite von nicht mehr als 3 μm.
Wenn Ausstoßflüssigkeit und Bläschenerzeugungsflüssigkeit voneinander getrennt sind, wirkt das bewegliche Element als Trennwand zwischen beiden. Eine kleine Menge Bläschenerzeugungsflüssigkeit mischt sich jedoch ständig mit der Ausstoßflüssigkeit. Im Falle des Flüssigkeitsausstoßens zur Durchführung von Druckvorgängen stellt der Vermischungsgrad praktisch kein Problem dar, sofern dieser unter 20% liegt. Bei der vorliegenden Erfindung kann der Vermischungsgrad durch Auswahl geeigneter Viskositäten der Ausstoßflüssigkeit und der Bläschenerzeugungsflüssigkeit gesteuert werden.
Wenn ein kleiner Vermischungsgrad gewünscht wird, ist durch Verwendung einer Bläschenerzeugungsflüssigkeit mit einer Viskosität von 5 cP oder weniger und einer Ausstoßflüssigkeit mit einer Viskosität von 20 cP oder weniger eine Senkung bis auf 5% möglich.
Gemäß dieser Erfindung liegt die Dicke des beweglichen Elements im μm-Bereich, so dass ein bewegliches Element mit einer Dicke im cm-Bereich in den üblichen Fällen nicht verwendet wird. Wenn in einem beweglichen Element mit einer im μm-Bereich liegenden Dicke ein Schlitz mit einer ebenfalls im μm-Bereich liegenden Breite (W) erzeugt werden soll, müssen Veränderungen im Herstellungsverfahren in Betracht gezogen werden.
Wenn die Dicke des dem freien Ende und/oder der Seitenkante des durch einen Schlitz erzeugten beweglichen Elements gegenüberliegenden Elements der Dicke des beweglichen Elements entspricht (13, 14 usw.), gilt unter Beachtung der Veränderung bei der Herstellung zum stabilen Unterdrücken einer Vermischung von Bläschenerzeugungsflüssigkeit und Ausstoßflüssigkeit die nachfolgende Beziehung zwischen der Schlitzbreite und der Dicke de beweglichen Elements. Wenn die Bläschenerzeugungsflüssigkeit eine Viskosität nicht über 3 cP hat und als Ausstoßflüssigkeit eine stark viskose Tinte (5 cP, 10 cP oder ähnlich) verwendet wird, kann ein Vermischen der beiden Flüssigkeiten über einen langen Zeitraum verhindert werden, sofern W/t ≤ 1.
Der das „wesentliche Abdichten" bewirkende Schlitz hat vorzugsweise eine Breite von mehreren Mikroneu, welche das Flüssigkeitsmischen sicher verhindert.
Nachfolgend wird auf die positionelle Beziehung zwischen dem Wärme erzeugenden Element und dem beweglichen Element in diesem Kopf näher eingegangen. Dabei sind die Konfiguration, die Abmessungen und die Anzahl an beweglichen Elementen und Wärme erzeugenden Elementen nicht auf das folgende Beispiel beschränkt. Durch eine optimale Anordnung des Wärme erzeugenden Elements und des beweglichen Elements kann der bei der Bläschenbildung durch das Wärme erzeugende Element entstehende Druck effektiv als Ausstoßdruck verwendet werden.
Bei einem herkömmlichen Bläschenstrahlaufzeichnungsverfahren wird Energie in Form von Wärme auf die Tinte aufgebracht, um eine sofortige Volumenänderung (Bläschenerzeugung) in der Tinte und dadurch das Ausstoßen von Flüssigkeit durch eine Ausstoßöffnung auf ein Aufzeichnungsmaterial zu bewirken und somit einen Druckvorgang durchzuführen. In diesem Fall besteht zwar eine Proportionalität zwischen der Fläche des Wärme erzeugenden Elements und der Tintenausstoßmenge, doch es gibt einen Nichtbläschenerzeugungsbereich S, welcher zum Ausstoßen der Tinte nicht beiträgt. Dieser Fakt wird durch Beobachtung von Koagulationsbildung auf dem Wärme erzeugenden Element bestätigt, das heißt, der Nichtbläschenerzeugungsbereich S erstreckt sich vom Rand des Wärme erzeugenden Element aus nach innen. Dieser Randbereich mit einer Breite von etwa 4 μm trägt zur Bläschenerzeugung nicht bei.
Um den Bläschenerzeugungsdruck effektiv zu nutzen, sollte der Auslenkbereich des beweglichen Elements den effektiven Bläschenerzeugungsbereich des Wärme erzeugenden Elements, das heißt dessen Fläche bis auf einen Rand mit der Breite von etwa 4 μm überdecken. Bei dieser Ausführungsform beginnt der effektive Bläschenerzeugungsbereich etwa 4 μ vom Rand entfernt, doch diese Größe kann sich bei Verwendung eines anderen Wärme erzeugenden Elements oder Anwendung eines anderen Verfahrens ändern.
18 zeigt schematisch die Draufsicht eines Wärme erzeugenden Elements 2 mit den Abmessungen 58 × 150 μm, in 18(a) zusammen mit einem beweglichen Element 301 und in 18(b) zusammen mit einem beweglichen Elements 302 mit einer anderen Gesamtfläche.
Das bewegliche Element 301 hat die Abmessungen 53 × 145 μm und eine kleinere Fläche als das Wärme erzeugende Element 2, doch diese Fläche entspricht dem effektiven Bläschenerzeugungsbereich des Wärme erzeugenden Elements 2 und das bewegliche Element 301 überdeckt diesen. Dagegen hat das bewegliche Element 302 die Abmessungen 53 × 220 μm und damit eine größere Fläche als das Wärme erzeugende Element 2 (die Breite ist die gleiche, doch der Abstand zwischen dem Auslenkpunkt und der Vorderkante ist größer als die Länge des Wärme erzeugenden Elements), überdeckt aber wie das bewegliche Element 301 den effektiven Bläschenerzeugungsbereich. Mit diesen beiden beweglichen Elementen 301 und 302 wurden Versuche durchgeführt, um deren Haltbarkeit und die erreichbare Ausstoßeffizienz zu untersuchen. Die Versuche wurden unter den nachfolgend genannten Bedingungen durchgeführt:
Bläschenerzeugungsflüssigkeit: Flüssige Lösung aus Äthanol (40%)
Ausstoßflüssigkeit: Farbtinte
Spannung: 20,2 V
Frequenz: 3 kHz.
Bei diesen Versuchen trat nach Aufbringen von 1 × 10⁷ Impulsen eine Beschädigung des beweglichen Elements 301 am Auslenkpunkt ein. Dagegen war beim beweglichen Element 302 auch nach 3 × 10⁸ Impulsen keine Beschädigung zu verzeichnen. Mit diesen beweglichen Elementen wird die Ausstoßmenge in bezug auf die aufgebrachte Energie und die von der Ausstoßgeschwindigkeit bestimmte kinetische Energie um etwa das 1,5 bis 2,5-fache verbessert.
Die Ergebnisse zeigen, dass ein bewegliches Element, dessen Fläche größer ist als die des Wärme erzeugenden Elements und den effektiven Bläschenerzeugungsbereich des Wärme erzeugenden Elements überdeckt, hinsichtlich Haltbarkeit und Ausstoßeffizienz bevorzugt werden sollte.
19 zeigt im Diagramm die Auslenkung des beweglichen Elements als Funktion des Abstandes zwischen der Kante des Wärme erzeugenden Elements und dem Auslenkpunkt des beweglichen Elements. 20 zeigt in der Seitenschnittansicht die positionelle Beziehung zwischen dem Wärme erzeugenden Element 2 und dem beweglichen Element 31. Das Wärme erzeugende Element 2 hat die Abmessungen 40 × 105 μm. Bei Vergrößerung des Abstandes 1 zwischen der Kante des Wärme erzeugenden Elements 2 und dem Auslenkpunkt 33 des beweglichen Elements 31 wird zwangsläufig auch die Auslenkung größer. Demzufolge sollte die Lage des Auslenkpunktes des beweglichen Elements auf der Grundlage der optimalen Auslenkung in Abhängigkeit von der erforderlichen Tintenausstoßmenge, der Flüssigkeitskanalkonfiguration, der Konfiguration des Wärme erzeugenden Elements usw. bestimmt werden.
Wenn der Auslenkpunkt des beweglichen Elements direkt über dem effektiven Bläschenerzeugungsbereich des Wärme erzeugenden Elements liegt, wirkt neben der beim Auslenken des beweglichen Elements erzeugten Spannung auch der Bläschenerzeugungsdruck direkt auf den Auslenkpunkt, so dass die Haltbarkeit des beweglichen Elements verringert wird. Die von den Erfindern durchgeführten Versuche haben gezeigt, dass in dem Fall, in welchem der Auslenkpunkt innerhalb des effektiven Bläschenerzeugungsbereichs liegt, bereits nach 1 × 10⁶ aufgebrachten Impulsen die bewegliche Wand beschädigt und dadurch deren Haltbarkeit verkürzt wird. Wenn der Auslenkpunkt des beweglichen Elements außerhalb des effektiven Bläschenerzeugungsbereichs des Wärme erzeugenden Elements liegt, kann auch ein bewegliches Element, dessen Konfiguration und/oder Werkstoff keine große Haltbarkeit ermöglichen, praktisch verwendet werden. Wenn der Auslenkpunkt innerhalb des effektiven Bläschenerzeugungsbereichs des Wärme erzeugenden Elements liegt, müssen zum Erreichen einer ausreichenden Haltbarkeit des beweglichen Elements dessen Konfiguration und/oder Werkstoff entsprechend ausgewählt werden. Bei Berücksichtigung dieser Fakten kann ein Flüssigkeitsausstoßkopf mit hohem Ausstoßenergienutzungsgrad und guter Haltbarkeit bereitgestellt werden.
<Elementsubstrat>
Nachfolgend wird die Konfiguration des mit dem Wärme erzeugenden Element zum Erwärmen der Flüssigkeit bestückten Elementsubstrats beschrieben.
21 zeigt den Längsschnitt des Flüssigkeitsausstoßkopfes in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Auf dem Elementsubstrat 1 ist ein genutetes Bauteil 50 befestigt, welches zweite Flüssigkeitskanäle 16, Trennwände 30, erste Flüssigkeitskanäle 14 und Nuten zur Erzeugung der ersten Flüssigkeitskanäle aufweist.
Wie 12 zeigt, ist das Elementsubstrat 1 mit Anschlusselektroden (0,2–1,0 μm dick) 104 aus Aluminium oder einem ähnlichen Material und einem das Wärme erzeugende Element bildenden Widerstand 105 (0,01–0,2 μm dick) aus Hafniumborid (HfB₂), Tantalnitrid (TaN), Tantalaluminium (TaAl) oder einem ähnlichen Material bemustert, wobei zwischen dem Widerstand und dem eigentlichen Substrat 107 ein Siliziumoxid- oder Siliziumnitridfilm 106 als Isolier- und Wärmedämmschicht vorhanden ist. Beim Anlegen einer Spannung an die Widerstandsschicht 105 über die Anschlusselektroden 104 fließt ein Strom durch die Widerstandsschicht und erzeugt dabei Wärme. Auf der Widerstandsschicht ist zwischen den Verdrahtungselektroden eine 0,1–2,0 μm dicke Schutzschicht aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder einem ähnlichen Material und darauf eine 0,1–0,6 μm dicke Antikavitationsschicht aus Tantal oder einem ähnlichen Material vorhanden, um die Widerstandsschicht 105 gegen verschiedene Flüssigkeiten wie zum Beispiel Tinte zu schützen.
Die bei der Bläschenbildung und beim Zusammenfallen des Bläschens erzeugte Druck- und Stoßwelle ist so stark, dass durch diese die Haltbarkeit des relativ zerbrechlichen Oxidfilms verschlechtert wird. Aus diesem Grund wird ein metallischer Werkstoff wie Tantal (Ta) oder ein ähnlicher Werkstoff für die Antikavitationsschicht verwendet.
In Abhängigkeit von der Flüssigkeit, von der Konfiguration des Flüssigkeitskanals und dem Widerstandsmaterial als Einheit kann auf diese Schutzschicht verzichtet werden. 5(b) zeigt ein solches Beispiel. Wenn eine solche Schutzschicht nicht vorhanden ist, wird als Material für die Widerstandsschicht z.B. eine Iridium-Tantal-Aluminium-Legierung oder eine ähnliche Legierung verwendet. Bei den vorhergehenden Ausführungsformen kann zum Wärme erzeugenden Element nur die Widerstandsschicht (Wärme erzeugender Abschnitt) oder die Widerstandsschicht und eine zusätzliche Schutzschicht für diese gehören.
Bei dieser Ausführungsform hat das Wärme erzeugende Element einen separaten Wärme erzeugenden Abschnitt, auf welchem die Widerstandsschicht zur Erzeugung von Wärme bei Empfang eines elektrischen Signals aufgebracht ist. Das Wärme erzeugende Element ist aber nicht auf eine solche Konfiguration beschränkt, sondern kann auch anders ausgeführt sein, muss aber die Erzeugung eines Bläschens in der Bläschenerzeugungsflüssigkeit zum Ausstoßen der Ausstoßflüssigkeit gewährleisten. Der Wärme erzeugende Abschnitt kann auch als fotothermischer Wandler gestaltet sein, welcher beim Auftreffen von Licht in Form eines Laserstrahls zum Beispiel oder bei Empfang einer Hochfrequenzwelle Wärme erzeugt.
Im Elementsubstrat 1 können außer der den Wärme erzeugenden Abschnitt bildenden Widerstandsschicht 105 und den durch die Anschlusselektrode 104 zur Übertragung eines elektrischen Signals an die Widerstandsschicht gebildeten elektrothermischen Wandler auch noch Funktionselemente wie zum Beispiel ein Transistor, eine Diode, eine Verriegelung, ein Schieberegister und andere Elemente zum selektiven Ansteuern des elektrothermischen Wandlers integriert sein.
Um das Ausstoßen von Flüssigkeit durch Ansteuern des Wärme erzeugenden Abschnitts des auf dem Elementsubstrat 1 vorhandenen elektrothermischen Wandlers zu bewirken, werden über die Anschlusselektrode 104 rechteckige Impulse wie in 22 dargestellt an die Widerstandsschicht 105 gesendet, damit in der Widerstandsschicht 105 zwischen der Anschlusselektrode sofort Wärme erzeugt wird. Bei Köpfen der vorhergehenden Ausführungsformen hat die auf das Wärme erzeugende Element aufgebrachte Elektroenergie eine Spannung von 24 V, eine Impulsbreite von 7 μs, eine Stromstärke von 150 mA und eine Frequenz von 6 kHz, durch welche nach dem beschriebenen Verfahren die flüssige Tinte durch die Ausstoßöffnung ausgestoßen wird. Das Steuersignal ist nicht auf die genannten Konditionen beschränkt, sondern kann auch andere Form haben, wenn diese die Erzeugung von Bläschen in der Bläschenerzeugungsflüssigkeit gewährleistet.
<Kopf mit zwei Flüssigkeitskanälen>
Nachfolgend wird ein Flüssigkeitsausstoßkopfbeschrieben, bei welchem in einer ersten gemeinsamen Flüssigkeitskammer und in einer zweiten gemeinsamen Flüssigkeitskammer unterschiedliche Flüssigkeiten separat untergebracht sind und die Anzahl an Einzelelementen verringert wurde, um die Fertigungskosten zu senken.
23 zeigt schematisch einen solchen Flüssigkeitsausstoßkopf. Die bei den vorhergehenden Ausführungsformen verwendeten Bezugszeichen wurden bei dieser Ausführungsform für gleiche Elemente wieder verwendet, so dass auf deren Beschreibung verzichtet wird.
Bei dieser Ausführungsform weist das genutete Bauteil 50 eine mit einer Ausstoßöffnung 18 versehene Platte 51, mehrere Nuten zur Erzeugung der ersten Flüssigkeitskanäle 14 und eine die erste gemeinsame Flüssigkeitskammer 15 bildende Vertiefung zum Zuführen der Flüssigkeit (Ausstoßflüssigkeit) zu den einzelnen ersten Flüssigkeitskanälen 14 auf. Am Boden des genuteten Bauteils 50 ist eine Trennwand 30 angeordnet, welche die zahlreichen ersten Flüssigkeitskanäle 14 erzeugt. Ein solches genutetes Bauteil 50 ist mit einem von dessen Oberseite nach unten in die erste gemeinsame Flüssigkeitskammer 15 sich erstreckenden ersten Flüssigkeitszuführkanal 20 und einem von dessen Oberseite nach unten durch die Trennwand 30 in eine zweite gemeinsame Flüssigkeitskammer 17 sich erstreckenden zweiten Flüssigkeitszuführkanal 21 versehen.
Wie 23 zeigt, kennzeichnet der Pfeil C das Zuführen der ersten Flüssigkeit (Ausstoßflüssigkeit) durch den ersten Flüssigkeitszuführkanal 29 und die erste gemeinsame Flüssigkeitskammer 15 zum ersten Flüssigkeitskanal 14 und der Pfeil D das Zuführen der zweiten Flüssigkeit (Bläschenerzeugungsflüssigkeit) durch den zweiten Flüssigkeitszuführkanal 21 und die zweite gemeinsame Flüssigkeitskammer 17 zum zweiten Flüssigkeitskanal 16.
Bei diesem Beispiel verläuft der zweite Flüssigkeitszuführkanal 21 parallel zum ersten Flüssigkeitszuführkanal 20, doch es kann auch ein Verlauf dieses Kanals gewählt werden, welcher der zweiten gemeinsamen Flüssigkeitskammer 17 durch die Trennwand 30 außerhalb der ersten gemeinsamen Flüssigkeitskammer 15 Flüssigkeit zuführt.
Der Durchmesser des zweiten Flüssigkeitszuführkanals 21 wird von der Menge der zuzuführenden zweiten Flüssigkeit bestimmt. Der zweite Flüssigkeitszuführkanal 21 muss nicht kreisförmig oder rund sein, sondern kann auch Rechteckform oder eine andre Form haben.
Die zweite gemeinsame Flüssigkeitskammer 17 kann durch Teilen des genuteten Bauteils mittels einer Trennwand 30 erzeugt werden. 24 zeigt in Perspektiv- und Explosivdarstellung, dass der Rahmen einer gemeinsamen Flüssigkeitskammer und die Wand eines zweiten Flüssigkeitszuführkanals aus einem Trockenfilm gefertigt sind und wie das genutete Bauteil 50 mit daran befestigter Trennwand 30 auf dem Elementsubstrat 1 positioniert wird, um die zweite gemeinsame Flüssigkeitskammer 17 und den zweiten Flüssigkeitskanal 16 zu erzeugen.
Bei diesem Beispiel wird das Elementsubstrat 1 von einem Stützelement 70 aus Metall wie zum Beispiel Aluminium gebildet, welches mit mehreren elektrothermischen Wandlern als Wärme erzeugende Elemente zur Erzeugung von Bläschen in der Bläschenerzeugungsflüssigkeit durch Filmkochen bestückt ist.
Über dem Elementsubstrat 1 sind mehrere Nuten als zweite Flüssigkeitskanäle 16, ein die zweite gemeinsame Flüssigkeitskammer (für die Bläschenerzeugungsflüssigkeit) 17 bildende und mit den Kanälen für das Zuführen von Bläschenerzeugungsflüssigkeit in Verbindung stehende Vertiefung und Trenn- oder Teilungswände 30 mit den beweglichen Elementen 31 angeordnet.
Das Bezugszeichen 50 kennzeichnet das genutete Bauteil. Dieses Bauteil ist mit Nuten, welche nach dem Einsetzen der Trennwand 30 die Ausstoßflüssigkeitskanäle (erste Flüssigkeitskanäle) 14 bilden, mit einer Vertiefung als erste gemeinsame Flüssigkeitskammer (gemeinsame Kammer für die Ausstoßflüssigkeit) 15 zum Zuführen von Ausstoßflüssigkeit zu den Ausstoßflüssigkeitskanälen, mit dem ersten Flüssigkeitszuführkanal (Ausstoßflüssigkeitszuführkanal) 20 zum Zuführen der Ausstoßflüssigkeit zur ersten gemeinsamen Flüssigkeitskammer und mit dem zweiten Flüssigkeitszuführkanal 21 zum Zuführen der Bläschenerzeugungsflüssigkeit zur zweiten gemeinsamen Flüssigkeitskammer 17 versehen ist, wobei der zweite Flüssigkeitszuführkanal 21 sich durch die außerhalb der ersten gemeinsamen Flüssigkeitskammer 15 angeordneten Trennwand 30 in die zweite gemeinsame Flüssigkeitskammer 17 erstreckt. Dadurch kann die Bläschenerzeugungsflüssigkeit ohne Vermischen mit der Ausstoßflüssigkeit der zweiten gemeinsamen Flüssigkeitskammer zugeführt werden.
Das Elementsubstrat 1, die Trennwand 30 und die genutete Abdeckplatte 50 sind so konfiguriert, dass die beweglichen Elemente 31 über den auf dem Elementsubstrat 1 vorhandenen Wärme erzeugenden Elementen und die Ausstoßflüssigkeitskanäle 14 über den beweglichen Elementen 31 liegen. Bei diesem Beispiel ist das genutete Bauteil mit einem zweiten Flüssigkeitszuführkanal versehen, es ist aber auch möglich, mehrer solche Zuführkanäle entsprechend der zuzuführenden Flüssigkeitsmenge vorzusehen. Die Querschnittsfläche des Ausstoßflüssigkeitszuführkanals 20 und die des Kanals 21 zum Zuführen der Bläschenerzeugungsflüssigkeit können proportional der jeweiligen Flüssigkeitszuführmenge festgelegt werden. Durch Optimierung dieser Querschnittsflächen können die das genutete Bauteil 50 bildenden Einzelteile kleiner ausgeführt werden.
Wie bereits beschrieben, können bei dieser Ausführungsform der zweite Zuführkanal zum Zuführen der zweiten Flüssigkeit zum zweiten Flüssigkeitskanal und der erste Zuführkanal zum Zuführen der ersten Flüssigkeit zum ersten Flüssigkeitskanal in einer einzigen genuteten Abdeckplatte erzeugt werden, um die Anzahl an Einzelteilen und somit die Fertigungsschritte und die Fertigungskosten zu verringern.
Das Zuführen der zweiten Flüssigkeit zur zweiten gemeinsamen Flüssigkeitskammer erfolgt durch den zweiten Flüssigkeitszuführkanal, welcher die Trennwand zum Trennen der ersten Flüssigkeit von der zweiten Flüssigkeit durchdringt, wodurch nur ein einziger Fertigungsschritt erforderlich ist, die Trennwand, das genutete Bauteil und das Substrat mit den darauf vorhandenen Wärme erzeugenden Elementen miteinander zu verbinden, und somit die Fertigung erleichtert und die Verbindungsgenauigkeit verbessert wird.
Durch das Zuführen der zweiten Flüssigkeit zur zweiten gemeinsamen Flüssigkeitskammer über den die Trennwand durchdringenden zweiten Flüssigkeitszuführkanal wird ausreichende Flüssigkeitszufuhr für stabiles Ausstoßen gewährleistet.
<Ausstoßflüssigkeit und Bläschenerzeugungsflüssigkeit>
Wie bei der vorhergehenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bereits beschrieben, kann durch die Konfiguration mit dem beweglichen Element die Flüssigkeit mit einer größeren Ausstoßkraft oder Ausstoßeffizienz als bei einem herkömmlichen Flüssigkeitsausstoßkopf ausgestoßen werden. Wenn als Ausstoßflüssigkeit und als Bläschenerzeugungsflüssigkeit die gleiche Flüssigkeit verwendet wird, tritt möglicherweise keine Verschlechterung bei dieser ein und das Ablagern von Partikeln auf dem Wärme erzeugenden Element durch das Erwärmen der Flüssigkeit kann verringert werden. Durch wiederholte Gasbildung und Kondensation wird eine reversible Zustandsänderung erreicht. Demzufolge können verschiedene Flüssigkeiten verwendet werden, wenn diese sich nicht negativ auf das Fließen im Flüssigkeitskanal, das bewegliche Element oder die Trennwand auswirken.
Zu diesen Aufzeichnungsflüssigkeiten zählt auch die bei einer herkömmlichen Bläschenstrahlvorrichtung verwendete Flüssigkeit.
Wenn die Zweikanalkonstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommt und die Ausstoßflüssigkeit sich von der Bläschenerzeugungsflüssigkeit unterscheidet, wird als Bläschenerzeugungsflüssigkeit eine Flüssigkeit mit der genannten Eigenschaft verwendet, das heißt zum Beispiel Methanol, Äthanol, 1-Propanol Isopropylalkohol, n-n-Hexan, n-Heptan, n-Oktan, Toluol, Xylen, Methylendichlorid, Trichloräthylen, Freon TF, Freon BF, Äthyläther, Dioxan, Zyklohexan, Methylazetat, Äthylatetat, Azeton, Methyläthylketon, Wasser oder eine ähnliche Flüssigkeit und ein Gemisch aus diesen.
Als Ausstoßflüssigkeit können verschiedene Flüssigkeiten verwendet werden, ohne dass der Bläschenerzeugungseigenschaft oder der thermischen Eigenschaft große Bedeutung beigemessen werden muss. Das heißt, als eine solche Flüssigkeit kann eine Flüssigkeit verwendet werden, welche wegen schlechter Bläschenerzeugungseigenschaft und/oder leichter Eigenschaftsänderung bei Wärme bisher nicht verwendet werden konnte.
Die Ausstoßflüssigkeit selbst oder diese mit der Bläschenerzeugungsflüssigkeit vermischt sollte jedoch das Ausstoßen, die Bläschenerzeugung, das Auslenken des beweglichen Elements oder ähnliche Vorgänge nicht beeinträchtigen.
Als Ausstoßaufzeichnungsflüssigkeit eignet sich eine stark viskose oder ähnliche Tinte, aber auch pharmazeutische Mittel, Parfüme oder ähnliche Mittel, deren Eigenschaften sich bei Wärmeeinfluss leicht verschlechtern, können dafür verwendet werden. Bei den durchgeführten Versuchen wurde als Ausstoßflüssigkeit und auch als Bläschenerzeugungsflüssigkeit für das Aufzeichnen eine Tinte mit den nachfolgend genannten Bestandteilen verwendet. Durch die höhere Tintenausstoßgeschwindigkeit wurde die Auftreffgenauigkeit der Flüssigkeitströpfchen und dadurch die Bildqualität verbessert.
Verwendet wurde eine Farbtinte mit einer Viskosität von 2 cp und folgenden Bestandteilen: Farbstoff

(Nahrungsmittelfarbstoff Schwarz 2) 3 Gew.-%

Diäthylenglykol 10 Gew.-%

Thiodiglykol 5 Gew.

Äthanol 5 Gew.-%

Wasser 77 Gew.-%

Aufzeichnungsvorgänge wurden auch mit den nachfolgend genannten Kombinationen von Bläschenerzeugungsflüssigkeit und Ausstoßflüssigkeit durchgeführt. Bei diesen Versuchen konnte auch eine bisher für das Ausstoßen unbrauchbare Flüssigkeit mit einer Viskosität von 10 cP und mehr effektiv verwendet werden und selbst eine Flüssigkeit mit einer Viskosität von 150 cP brachte qualitativ hochwertige Bilder.

Bläschenerzeugungsflüssigkeit 1:
Äthanol	40 Gew.-%
Wasser	60 Gew.-%
Bläschenerzeugungsflüssigkeit 2:
Wasser	100 Gew.-%
Bläschenerzeugungsflüssigkeit 3:
Isopropylalkohol	10 Gew.-%
Wasser	90 Gew.-%
Ausstoßflüssigkeit 1:
(Pigmenttinte mit etwa 15 cp)
Kohleschwarz	5 Gew.-%
Styrolakrylatakrylatäthylcopolymer	1 Gew.-%

Dispersionsmaterial (Oxid 140, mittl. Molek.
Gewicht
Monoäthanolamin	0,25 Gew.-%
Glyzerin	69 Gew.-%
Thiodiglykol	5 Gew.-%
Äthanol	3 Gew.-%
Wasser	16,75 Gew.-%

Ausstoßflüssigkeit 2 (55 cp):
Polyäthylenglykol 200	100 Gew.-%
Ausstoßflüssigkeit 3 (150 cp):
Polyäthylenglykol 600	100 Gew.-%

Bei einer schlecht auszustoßenden Flüssigkeit ist die Ausstoßgeschwindigkeit gering, wodurch Veränderungen in der Ausstoßrichtung eintreten und eine schlechte Auftreffgenauigkeit zu verzeichnen ist. Außerdem ergeben sich bei einer solchen Flüssigkeit infolge Ausstoßinstabilität Abweichungen in der Ausstoßmenge, welche zu einer schlechten Bildqualität führen. Die bei den beschriebenen Ausführungsformen verwendete Bläschenerzeugungsflüssigkeit gewährleistet ausreichende und stabile Bläschenerzeugung. Das heißt, bei Verwendung einer solchen Tinte wird die Auftreffgenauigkeit der Flüssigkeitströpfchen verbessert und die Tintenausstoßmenge stabilisiert und dadurch die Bildqualität wesentlich verbessert.
<Fertigung des Flüssigkeitsausstoßkopfes>
Nachfolgend wird die Fertigung des Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Bei dem in 3 dargestellten Flüssigkeitsausstoßkopf wird durch Bemustern eine Stütze 34 auf dem Elementsubstrat 1 erzeugt und auf dieser das bewegliche Elements 31 angeschweißt oder anderweitig befestigt. Danach wird ein genutetes Bauteil mit mehreren die Flüssigkeitskanäle 10 bildenden Nuten, mit der zu jedem Flüssigkeitskanal gehörenden Ausstoßöffnung 18 und der die gemeinsame Flüssigkeitskammer 13 bildenden Vertiefung so auf dem Elementsubstrat 1 befestigt, dass die Nuten und die beweglichen Elemente zueinander ausgerichtet sind.
Nachfolgend wird die Fertigung des Flüssigkeitsausstoßkopfes mit der in den 11 und 24 dargestellten Zweikanalkonfiguration beschrieben.
Die Wände für die zweiten Flüssigkeitskanäle 16 werden im allgemeinen auf dem Elementsubstrat 1 erzeugt und auf diese wird die Trennwand 30 montiert, bevor die Montage des Bauteils 50 mit den die ersten Flüssigkeitskanäle 14 bildenden Nuten auf dieser erfolgt, doch es ist auch möglich, auf diese Wände ein mit Trennwänden 30 versehenes genutetes Bauteil 50 zu montieren.
Nachfolgend wird beschrieben, auf welche Weise die zweiten Flüssigkeitskanäle erzeugt werden.
Die 25(a)–(e) zeigen schematisch die Fertigung des Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der in 25(a) gezeigten Ausführungsform werden die elektrothermischen Wandler mit den Wärme erzeugenden Elementen 2 aus Hafniumborid, Tantalnitrid oder einem ähnlichen Werkstoff mit einer bei der Halbleiterherstellung verwendeten Vorrichtung auf dem Elementsubstrat 1 (Siliziumwafer) erzeugt und danach erfolgt das Reinigen der Oberfläche des Elementsubstrats 1, um die Haftfähigkeit des auf diese aufzutragenden fotoempfindlichen Resists zu verbessern. Das Reinigen erfolgt durch eine UV-Behandlung mit Ozon oder auf ähnliche Weise. Danach wird eine Flüssigkeit, welche eine durch Äthylalkohol auf 1 Gew.-% verdünnte Silanverbindung (z.B. A189 von NIPPON UNICA) enthält, durch Spinnbeschickten auf die Oberfläche aufgetragen.
Wie 25(b) zeigt, wird nach dem Reinigen ein gegen Ultraviolettstrahlen fotoempfindlicher Resistfilm (Trockenfilm Ordyl SY-318, hergestellt von Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.) DF auf die verbesserte Oberfläche des Substrats 1 laminiert.
Wie 25(c) zeigt, wird dann auf den Trockenfilm DF eine Fotomaske PM aufgebracht und die Abschnitte des Trockenfilms DF, welche als Wände der zweiten Flüssigkeitskanäle verbleiben sollen, werden durch die Fotomaske PM mit ultraviolettem Licht bestrahlt. Zum Belichten wurde MPA-600, erhältlich von CANON KABUSHIKI KAISHA, verwendet und die Belichtungsdosis betrug etwa 600 mJ/cm².
Wie 25(d) zeigt, wurde der Trockenfilm DF dann mit einer Mischflüssigkeit aus Xylen und zelllöslichem Butylazetat (BMRC-3, erhältlich bei der Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.) entwickelt, um die unbelichteten Abschnitte aufzulösen und die belichteten und ausgehärteten Abschnitte, welche als Wände für die zweiten Flüssigkeitskanäle 16 dienen sollen, zu belassen. Die auf der Oberfläche des Elementsubstrats 1 verbliebenen Reste werden dann mit einer Sauerstoffplasma-Veraschungsvorrichtung (MAS-800 von der Alcan-Tech Co., Inc.) etwa 90 Sekunden lang entfernt, um die gereinigte Oberfläche anschließend 2 Stunden bei 150°C und einer Belichtungsdosis von 100 mJ/cm₂ mit ultraviolettem Licht zu bestrahlen und dabei die belichteten Abschnitte vollständig auszuhärten.
Nach diesem Verfahren können die zweiten Flüssigkeitskanäle mit hoher Genauigkeit auf mehreren aus dem Siliziumsubstrat geschnittenen Heizleiterplatten (Elementsubstraten) erzeugt werden. Zum Trennen des Siliziumsubstrats in entsprechende Heizleiterplatten 1 wird eine Würfelschneidmaschine mit einer 0,05 mm dicken Diamantscheibe (AWD-400 von Tokyo Seimitsu) verwendet. Die auf diese Weise erhaltenen Heizleiterplatten 1 werden mit einem Kleber (SE4400, hergestellt von Toray) auf der Aluminiumgrundplatte 70 befestigt. Danach wird die vorher mit der Aluminiumgrundplatte verbundene gedruckte Leiterplatte 71 über einen Aluminiumleiter mit einem Durchmesser von 0,05 mm (nicht dargestellt) an die Heizleiterplatte 1 angeschlossen.
Wie 25(e) zeigt, werden dann ein Befestigungselement des genuteten Bauteils 50 und die Trennwand 30 auf der Heizleiterplatte 1 entsprechend positioniert und mit dieser verbunden. Genauer ausgedrückt, das genutete Bauteil 50 mit der daran befestigten Trennwand 30 und die Heizleiterplatte 1 werden zueinander ausgerichtet und durch eine Arretierfeder miteinander verbunden. Danach wird das Bauteil 80 zum Zuführen der Tinte und der Bläschenerzeugungsflüssigkeit auf den Tintenbehälter aufgesetzt. Die Spalten zwischen dem Aluminiumdraht, dem genuteten Bauteil 50, der Heizleiterplatte 1 und dem Bauteil 80 zum Zuführen der Tinte und der Bläschenerzeugungsflüssigkeit werden mit einem Silikondichtmittel (TSE399, erhältlich bei Toshiba) abgedichtet.
Bei Anwendung dieses Herstellungsverfahrens können die zweiten Flüssigkeitskanäle präzis erzeugt werden, ohne dass dabei positionelle Verschiebungen bezüglich der auf der Heizleiterplatte vorhandenen Heizleiter auftreten. Durch das Vorverbinden des genuteten Bauteils 50 mit der Trennwand 30 wird eine größere Positioniergenauigkeit zwischen dem ersten Flüssigkeitskanal 14 und dem beweglichen Element 31 erreicht.
Durch diese präzise Fertigungstechnologie wird das Ausstoßen stabiler und die Druckqualität verbessert. Da alle Einzelelemente auf einem Wafer erzeugt werden, ist eine Massenproduktion bei geringen Kosten möglich.
Bei dieser Ausführungsform wird zur Erzeugung der zweiten Flüssigkeitskanäle ein durch Ultraviolettstrahlen aushärtender Trockenfilm verwendet. Es kann aber auch ein Kunstharz mit einem Absorptionsband von 248 nm (außerhalb des Ultraviolettbereichs) auf das Substrat laminiert werden. Nach dem Aushärten des Kunstharzes werden dann die Abschnitte, welche die zweiten Flüssigkeitskanäle bilden sollen, mit einem Excimerlaser direkt entfernt.
Die 26(a)–(d) zeigen schematisch in der Schnittansicht die einzelnen Schritte zur Fertigung des Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie 26(a) zeigt, wird auf ein Substrat 100 aus SUS-Material ein Resist mit einer Dicke von 15 μm in Form des zweiten Flüssigkeitskanals als Muster aufgetragen.
Wie 26(b) zeigt, wird durch Elektroplattieren eine 15 μm dicke Nickelschicht 102 auf das Substrat 100 aus SUS-Material aufgetragen. Zum Plattieren wird eine Lösung verwendet, welche Nickelsulfatamid, ein Spannungssenkungsmaterial (zero ohru, erhältlich bei der World Metal Inc.), Borsäure, Grübchenbildung verhinderndes Material (NP-APS, erhältlich bei der World Metal Inc.) und Nickelchlorid enthält. Zur Erzeugung des für die Elektroablagerung benötigten elektrischen Feldes wird eine Elektrode an die Anode und das vorher bemusterte Substrat 100 aus SUS-Material an die Kathode einer Stromquelle angeschlossen; die Temperatur der Plattierungslösung beträgt 50°C und die Stromdichte 5 A/cm².
Wie 26(c) zeigt, wird das dem Plattierungsverfahren unterzogene Substrat 100 aus SUS- Material dann einer Ultraschallschwingungsbehandlung unterzogen, um die Nickelschicht 102 an den Stellen zu entfernen, an welchen die zweiten Flüssigkeitskanäle entstehen sollen.
Parallel dazu werden mit einer in der Halbleiterindustrie verwendeten Vorrichtung die Heizleiterplatten mit den elektrothermischen Wandlern auf einem Wafer erzeugt. Dann wird auf ähnliche Weise wie bei der vorhergehenden Ausführungsform mit einer Würfelschneidmaschine der Wafer in einzelne Heizleiterplatten geteilt. Anschließend werden die Heizleiterplatten 1 auf die bereits mit einer gedruckten Leiterplatte 104 versehenen Aluminiumgrundplatte 70 montiert und die gedruckte Leiterplatte 104 und der Aluminiumleiter (nicht dargestellt) werden zur Vervollständigung der elektrischen Verdrahtung miteinander verbunden. Auf eine solche Heizleiterplatte 1 wird dann das Substrat aus SUS-Material mit den darin erzeugten zweiten Flüssigkeitskanälen montiert, wie 26(d) zeigt. Wenn wie bei der ersten Ausführungsform das Aufsetzen der Abdeckplatte mit der bereits daran befestigten Trennwand ein späterer Schritt ist, dafür eine Arretierfeder verwendet wird und dabei keine Verschiebung des Substrats eintritt, muss dieses nicht allzu fest mit der Heizleiterplatte verbunden werden.
Bei dieser Ausführungsform wird zum Positionieren und Befestigen ein bei Ultraviolettbestrahlung aushärtender Kleber (Amicon UV-300, erhältlich bei GRACE JAPAN) und eine Ultraviolettbestrahlungsvorrichtung verwendet, mit welcher bei einer Belichtungsdosis von 100 mJ/cm² und einer Belichtungsdauer von 3 Sekunden das endgültige Fixieren erfolgt.
Bei Anwendung des Fertigungsverfahrens gemäß dieser Ausführungsform können die zweiten Flüssigkeitskanäle ohne positionelle Abweichung bezüglich der Wärme erzeugenden Elemente verfügbar gemacht werden, und da die Flüssigkeitskanalwände aus Nickel bestehen, sind diese gegen die alkalische Flüssigkeit beständig und haben demzufolge eine lange Lebensdauer.
Die 26(a)–(d) zeigen schematisch in der Schnittansicht die einzelnen Schritte zur Herstellung des Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie 26(a) zeigt, sind beide Seiten des 15 μm dicken und mit einer Justierbohrung oder Justiermarke 100a versehenen Substrats aus SUS-Materials 100 mit einem Resist beschichtet. Als Resist wurde das bei der Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd. erhältliche PMERP-AR900 verwendet.
Wie 26(b) zeigt, wurde dann bei Nutzung der im Elementsubstrat 100 vorhandenen Justierbohrung mit einer Belichtungsvorrichtung (MPA-600, erhältlich bei CANON KABUSHIKI KAISHA, Japan) das Belichten durchgeführt, um an den Stellen das Resist 103 zu entfernen, an welchen die zweiten Flüssigkeitskanäle entstehen sollen. Die Belichtungsdosis betrug 800 mJ/cm².
Wie 26(c) zeigt, wird das beidseitig mit dem Resist 103 bemusterte Substrat aus SUS-Material in eine Ätzflüssigkeit (wässrige Lösung aus Eisen- oder Kupferchlorid) getaucht, um die vom Resist 103 befreiten Abschnitte wegzuätzen, und danach das restlich Resist entfernt.
Wie 26(d) zeigt, wird wie bei der vorhergehenden Ausführungsform des Fertigungsverfahrens das dem Ätzvorgang unterzogene Substrat 100 aus SUS-Material auf der Heizleiterplatte 1 positioniert und an dieser befestigt und damit der mit den zweiten Flüssigkeitskanälen 16 versehene Flüssigkeitsausstoßkopf fertiggestellt.
Bei Anwendung des Fertigungsverfahrens dieser Ausführungsform können die zweiten Flüssigkeitskanäle 16 ohne Abweichung bezüglich der Heizvorrichtungen verfügbar gemacht werden, und da die Flüssigkeitskanäle aus SUS-Material bestehen, sind diese gegen saure und alkalische Flüssigkeiten beständig, so dass der Flüssigkeitsausstoßkopf eine lange Lebensdauer hat.
Wie bereits beschrieben, werden beim Aufsetzen der Wände der zweiten Flüssigkeitskanäle auf das Elementsubstrat die elektrothermischen Wandler und die zweiten Flüssigkeitskanäle mit hoher Präzision zueinander ausgerichtet. Da vor dem Trennen des Substrats einige zweite Flüssigkeitskanäle gleichzeitig auf diesem erzeugt werden, ist eine Massenproduktion bei geringen Kosten möglich.
Der nach dem Fertigungsverfahren dieser Ausführungsform gefertigte Flüssigkeitsausstoßkopf hat den Vorteil, dass die zweiten Flüssigkeitskanäle und die Wärme erzeugenden Elemente mit hoher Präzision zueinander ausgerichtet sind, so dass der bei der Bläschenbildung erzeugte Druck mit hoher Effizienz weitergeleitet und dadurch eine hohe Ausstoßeffizienz erreicht wird.
<Flüssigkeitsausstoßkopfkartusche>
Nachfolgend wird eine mit dem Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bestückte Flüssigkeitsausstoßkopfkartusche beschrieben.
28 zeigt schematisch in Perspektiv- und Explosivdarstellung eine mit dem beschriebenen Flüssigkeitsausstoßkopf bestückte Flüssigkeitsausstoßkopfkartusche, welche im allgemeinen eine Flüssigkeitsausstoßkopfeinheit 200 und einen Flüssigkeitsbehälter 90 aufweist.
Die Flüssigkeitsausstoßkopfeinheit 200 weist ein Elementsubstrat 1, eine Trennwand 30, ein genutetes Bauteil 50, eine Arretierfeder 70, ein Flüssigkeitszufuhrelement 80 und ein Stützelement 70 auf. Wie bereits beschrieben, ist das Elementsubstrat 1 mit mehreren Wärme erzeugenden Widerständen zum Erzeugen und Zuführen von Wärme zur Bläschenerzeugungsflüssigkeit bestückt. Der Kanal zum Zuführen der Bläschenerzeugungsflüssigkeit befindet sich zwischen dem Elementsubstrat 1 und der mit dem beweglichen Element versehenen Trennwand 30. Beim Befestigen der Trennwand 30 an der genuteten Abdeckplatte 50 entsteht ein Kanal (nicht dargestellt) für die Ausstoßflüssigkeit.
Die Arretierfeder 70 presst das genutete Bauteil 50 auf das Elementsubstrat 1 und fügt somit das Elementsubstrat 1, die Trennwand 30, das genutete Bauteil 50 und das später näher beschriebene Stützelement 70 zu einer Einheit zusammen.
Das Stützelement 70, welches das Elementsubstrat 1 stützt, ist mit einer Schaltung 71 zum Übertragen elektrischer Signale an dieses und mit Kontaktstellen 72 zur Übertragung elektrischer Signale vom Gerät an die eingesetzte Kartusche versehen.
Der Flüssigkeitsbehälter 90 enthält die dem Flüssigkeitsausstoßkopf zuzuführende Ausstoßflüssigkeit in Form von Tinte und getrennt von dieser die Bläschenerzeugungsflüssigkeit. An der Außenseite des Flüssigkeitsbehälters 90 sind ein Positionierzapfen 94 für ein Verbindungselement zum Verbinden des Flüssigkeitsausstoßkopfes mit dem Flüssigkeitsbehälter und ein Befestigungszapfen 95 zum Befestigen des Verbindungselements angeordnet. Vom Flüssigkeitsbehälter gelangt die Ausstoßflüssigkeit durch den darin vorhandenen Kanal 92 zunächst in das am Flüssigkeitszufuhrelement 80 angeordnete Zuführröhrchen 81 und weiter zur ersten gemeinsamen Flüssigkeitskammer und von dort durch die Öffnung 83 in den Flüssigkeitszuführkanal 20 des genuteten Bauteils 50. Die ebenfalls im Flüssigkeitsbehälter vorhandene Bläschenerzeugungsflüssigkeit gelangt über den in diesem vorhandenen Kanal 93 in das am Flüssigkeitszuführelement 80 angeordnete Zuführröhrchen 82 und weiter zur zweiten gemeinsamen Flüssigkammer und von dort durch die Öffnung 84 in den Flüssigkeitszuführkanal 21 des genuteten Bauteils 50.
Bei einer solchen Flüssigkeitsausstoßkopfkartusche werden sowohl die Ausstoßflüssigkeit als auch die Bläschenerzeugungsflüssigkeit dem Kopf problemlos zugeführt. Wenn die Ausstoßflüssigkeit und die Bläschenerzeugungsflüssigkeit gleich sind, wird der Flüssigkeitskanal für die Bläschenerzeugungsflüssigkeit nicht zwangsläufig von dem für die Ausstoßflüssigkeit getrennt.
Nach dem vollständigen Verbrauch der Tinten im Flüssigkeitsbehälter kann dieser wieder gefüllt werden. Das Wiederauffüllen des Flüssigkeitsbehälters mit der entsprechenden Flüssigkeit erfolgt über eine in diesem vorhandene Einfüllöffnung. Flüssigkeitsausstoßkopf und Flüssigkeitsbehälter können entweder als untrennbare oder als trennbare Einheit konstruiert sein.
<Flüssigkeitsausstoßvorrichtung>
29 zeigt schematisch eine mit dem beschriebenen Flüssigkeitsausstoßkopfbestückte Flüssigkeitsausstoßvorrichtung. Bei dieser Ausführungsform wird als Ausstoßflüssigkeit Tinte und als Gerät ein Tintenausstoßaufzeichnungsgerät verwendet. Die Flüssigkeitsausstoßvorrichtung weist einen Schlitten HC auf, an welchem die aus dem Flüssigkeitsbehälter 90 und der Flüssigkeitsausstoßkopfeinheit 200 trennbar zusammengesetzte Kopfkartusche befestigt werden kann. Der Schlitten HC kann über die Breite des von einer Aufzeichnungsmaterialtransportvorrichtung zugeführte Aufzeichnungsmaterials 150 in Form eines Aufzeichnungsblattes oder in ähnlicher Form hin und her bewegt werden.
Wenn von einer nicht dargestellten Steuersignalsendevorrichtung an die am Schlitten vorhandene Flüssigkeitsausstoßvorrichtung ein Steuersignal gesendet wird, erfolgt als Reaktion auf dieses Signal das Ausstoßen von Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsausstoßkopf auf das Aufzeichnungsmaterial.
Das Flüssigkeitsausstoßgerät dieser Ausführungsform weist einen Motor 111 als Antriebsquelle für die Aufzeichnungsmaterialtransportvorrichtung und den Schlitten, Zahnräder 112, 113 zum Übertragen der Antriebsleistung auf den Schlitten, einen Schlittenholm 115 und weitere Bauteile auf. Mit der Aufzeichnungsvorrichtung in Verbindung mit dem Flüssigkeitsausstoßverfahren können durch Ausstoßen von Flüssigkeit auf verschiedene Aufzeichnungsmaterialien qualitativ gute Bilder gedruckt werden.
30 zeigt den allgemeinen Signalfluss in dem mit dem Flüssigkeitsstrahlkopfbestückten und nach dem Flüssigkeitsausstoßverfahren arbeitenden Tintenstrahlaufzeichnungsgerät in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
Das Aufzeichnungsgerät erhält von einem Hauptrechner 300 die Druckdaten in Form eines Steuersignals. Die Druckdaten werden vorübergehend in einer Eingangsschnittstelle 301 des Druckgerätes gespeichert und gleichzeitig in verarbeitbare und in eine ZVE 302 einzugebende Daten umgewandelt, welche diese als Kopfteuersignale ausgibt. Von der ZVE 302 und mit Hilfe peripherer Einheiten wie zum Beispiel eines RAM 304 oder einer ähnlichen Einheit werden entsprechend den in einem ROM 303 gespeicherten Steuerprogrammen die eingegebenen Daten zu Druckdaten (Bilddaten) verarbeitet.
Zum Aufzeichnen der Bilddaten auf einem entsprechenden Punkt auf einem Aufzeichnungsblatt erzeugt die ZVE 302 Steuerdaten zum Steuern eines Antriebsmotors, welcher synchron mit den Bilddaten das Aufzeichnungsblatt und den Aufzeichnungskopf bewegt. Die Bilddaten und die Motorsteuerdaten werden über einen Kopftreiber 307 bzw. Motortreiber 305 an einen Kopf 200 und einen Antriebsmotor 306 gesendet, um diese zum Erzeugen eines Bildes in einem entsprechenden Takt zu steuern.
Zum Aufzeichnungsmedium, welches bei einem Aufzeichnungsgerät wie dem beschriebenen verwendet und auf welches Flüssigkeit in Form von Tinte z.B. ausgestoßen wird, zählen verschiedene Papierarten, OHP Blätter, Plaste, welche zur Herstellung von Kompaktdisketten verwendet werden, Ornamentplatten oder ähnliche Platten, Gewebe, Materialien aus Metall wie Aluminium, Kupfer oder ähnliche Metalle, Leder wie Rinds- oder Schweinsleder, synthetisches Leder und ähnliches Leder, Nutzholz wie Massivholz, Sperrholz und ähnliches Holz, Bambus, Keramik wie Fliesen und dreidimensionale Materialien wie Schwamm.
Zum Aufzeichnungsgerät zählen folgende Geräte: ein Drucker für verschiedene Papiersorten oder OHP Blätter, ein Aufzeichnungsgerät für Plaste, welche zum Beispiel zur Herstellung von Kompaktdisketten oder ähnlichen Bild- und Tonträgern verwendet werden, ein Aufzeichnungsgerät für Metallplatten oder ähnliche Platten, ein Aufzeichnungsgerät für Leder, ein Aufzeichnungsgerät für Nutzholz, ein Aufzeichnungsgerät für Keramik, ein Aufzeichnungsgerät für dreidimensionale Materialien wie Schwamm oder ähnliche Materialien, ein Textildruckgerät zum Aufzeichnen von Bildern auf Gewebe und ähnliche Geräte.
Bei diesen Flüssigkeitsausstoßgeräten kann jede Flüssigkeit verwendet werden, wenn diese mit dem eingesetzten Aufzeichnungsmedium kompatibel ist und den Aufzeichnungsbedingungen genügt.
<Aufzeichnungssystem>
Nachfolgend wird exemplarisch ein Tintenstrahlaufzeichnungssystem beschrieben, welches auf einem Aufzeichnungsmedium Bilder aufzeichnet und in welchem als Aufzeichnungskopf der Flüssigkeitsausstoßkopf in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
31 zeigt schematisch in perspektivischer Darstellung den allgemeinen Aufbau eines Tintenstrahlaufzeichnungssystem mit einem Flüssigkeitsausstoßkopf 201 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform wird als Flüssigkeitsausstoßkopf ein Ganzzeilenkopf verwendet, welcher den gesamten Aufzeichnungsbereich des Aufzeichnungsmediums 150 überdeckende Ausstoßöffnungen aufweist, die in einer Dichte von 17/mm angeordnet sind. Dieser Kopf setzt sich aus vier den Farben Gelb (y), Magenta (M), Zyan (C) und Schwarz (Bk) entsprechenden Einzelköpfen zusammen. Diese vier Köpfe sind in einem bestimmten Abstand hintereinander angeordnet an einer Haltevorrichtung 202 befestigt.
Die Einzelköpfe werden entsprechend den vom Kopftreiber 307 als Steuersignalsendeeinheit gesendeten Signalen gesteuert.
Die vier Tinten (Y), (M), (C) und (Bk) werden vom entsprechenden Tintenbehälter 204a, 204b, 204c bzw. 204d zugeführt. Das Bezugszeichen 204e kennzeichnet den Behälter für die jedem Kopf zuzuführende Bläschenerzeugungsflüssigkeit.
Unter jedem der vier Köpfe ist eine entsprechende Kopfabdeckkappe 203a, 203b, 203c bzw. 203d angeordnet, welche ein Tintenabsorptionselement in Form eines Schwamms zum Beispiel aufweist. Diese Abdeckkappen bedecken die Ausstoßöffnungen des entsprechenden Kopfes, schützen die Köpfe und halten diese in druckfreien Zeiten einsatzbereit.
Das Bezugszeichen 206 kennzeichnet einen Transportriemen zum Transportieren der bei den vorhergehenden Ausführungsformen genannten verschieden Aufzeichnungsmedien. Dieser Riemen 206 wird über mehrere Rollen gespannt von einer durch den Motortreiber 305 gesteuerten Antriebsrolle angetrieben.
Das Tintenstrahlaufzeichnungssystem dieser Ausführungsform weist eine vor dem Tintenstrahlaufzeichnungsgerät angeordnete Vorbehandlungsvorrichtung 251 und eine hinter diesem angeordnete Nachbehandlungsvorrichtung 252 auf, welche das Aufzeichnungsmedium vor bzw. nach dem Drucken auf verschiedenen Weise behandeln.
Die Vorbehandlung und die Nachbehandlung variieren in Abhängigkeit von der Art des Aufzeichnungsmedium und der Tintensorte. Im Falle der Verwendung von Metall, Plast, Keramik oder ähnlichem Material als Aufzeichnungsmaterial wird dieses vor dem Drucken einer Behandlung mit UV-Strahlen und Ozon unterzogen, um dessen Oberfläche zu aktivieren.
Bei einem zum elektrischen Aufladen neigenden Aufzeichnungsmaterial wie Plast zum Beispiel wird durch die erzeugte statische Elektrizität Staub auf dessen Oberfläche abgelagert, welcher das Aufzeichnen beeinträchtigen kann. In einem solchen Fall wird eine Ionisiervorrichtung verwendet, um die statische Ladung des Aufzeichnungsmaterials und dadurch die Staubablagerungen von diesem zu entfernen. Im Falle von Textilien als Aufzeichnungsmaterial können diese einer Vorbehandlung mit einem alkalischen Mittel, einem wasserlöslichen Mittel, einem polymeren, wasserlöslichen Metallsalz, Harnstoff oder Thioharnstoff unterzogen werden, um eine Federbildung zu verhindern, das Fixieren zu verbessern oder ähnliche Wirkungen zu erzielen. Die Behandlung ist nicht auf die beschriebene begrenzt, sondern kann auch ein Vorwärmen des Aufzeichnungsmaterials sein.
Dagegen ist die Nachbehandlung ein Vorgang, bei welchem das Aufzeichnungsmaterial mit der darauf ausgestoßenen Tinte einer Wärmebehandlung oder einer Behandlung mit UV-Strahlen zum Fixieren der Tinte oder einer Reinigungsbehandlung zum Entfernen des bei der Vorbehandlung verwendeten und auf diesem verbliebenen Behandlungsmaterials unterzogen wird.
Bei dieser Ausführungsform ist der verwendete Aufzeichnungskopf ein Ganzzeilenkopf, obwohl die vorliegende Erfindung auch auf eine über die Breite des Aufzeichnungsmaterials beweglichen Serienkopf angewendet werden kann.
<Kopfeinheit>
Nachfolgend wird eine Kopfeinheit beschrieben, welche den Flüssigkeitsausstoßkopf in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung aufweist. Eine solche Kopfeinheit ist in 32 schematisch dargestellt. Diese Kopfeinheit 500 setzt sich zusammen aus einem Kopf 510 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, welcher den Tintenausstoßabschnitt 511 zum Ausstoßen von Tinte aufweist, einem Tintenbehälter 510, das heißt einem vom Kopf abnehmbaren oder mit diesem fest verbundenen Flüssigkeitsbehälter und einer Tintenfüllvorrichtung 530, welche die in den Tintenbehälter 520 zu füllende Tinte enthält.
Nach dem vollständigen Entleeren des Tintenbehälters 520 wird die Spitze (in Form einer Injektionsnadel) 531 der Tintenfüllvorrichtung in eine am Tintenbehälter oder an der Verbindungsstelle zwischen dem Tintenbehälter und dem Kopf vorhandene Entlüftungsbohrung 521 oder eine in die Tintenbehälterwand eingebrachte Bohrung eingeführt und die in der Füllvorrichtung vorhandene Tinte durch diese Spitze 531 in den Tintenbehälter gedrückt.
Wenn der Flüssigkeitsausstoßkopf, der Tintenbehälter, die Tintenfüllvorrichtung usw. als eine Einheit zusammengesetzt sind, kann der entleerte Tintenbehälter auf die beschriebene einfache Weise wieder mit Tinte gefüllt und mit dem Aufzeichnen schnell wieder begonnen werden.
Bei dieser Ausführungsform ist die Tintenfüllvorrichtung in der Kopfeinheit integriert. Die Tintenfüllvorrichtung muss aber nicht unbedingt Bestandteil der Kopfeinheit sein, denn die Kopfeinheit kann sich auch aus einem mit Tinte gefüllten Austauschbehälter und einem Kopf zusammensetzen.
Obwohl in 32 nur die Tintenfüllvorrichtung zum Füllen des Tintenbehälters mit Drucktinte dargestellt ist, kann außer dieser auch eine Vorrichtung zum Befüllen eines separat angeordneten Behälters mit Bläschenerzeugungsflüssigkeit zur Kopfeinheit gehören.

Claims

Flüssigkeitsausstoßkopf für das Ausstoßen von Flüssigkeit durch Erzeugung eines Bläschens mit: einem Wärmeerzeugerelement (2) für das Erzeugen von Wärme, um das Bläschen in einer Flüssigkeitsfließbahn (13) auszubilden, der mit einer Ausstoßöffnung (18) für das Ausstoßen von Flüssigkeit in Verbindung steht, wobei das Wärmeerzeugerelement (2) eine Widerstandslage und ein Paar an Elektroden (5) hat, die mit der Widerstandslage verbunden sind; und einem beweglichen Element (31), das einen Drehpunkt (33) und ein freies Ende (32), das bezüglich einer Flüssigkeitsfließrichtung entlang des Flüssigkeitsfließkanals zu der Ausstoßöffnung (18) stromabwärts des Auslenkpunktes (33) angebracht ist, hat, wobei das bewegliche Element (31) so angebracht ist, dass es dem Wärmeerzeugerelement (2) zugewandt ist, wobei sich ein Raum zwischen dem beweglichen Element (31) und dem Wärmeerzeugerelement (2) befindet, wobei das bewegliche Element (31) durch Druck, der durch die Bläschenerzeugung erzeugt wird, von einer ersten Position in eine zweite Position, die weiter von dem Wärmeerzeugerelement (2) als die erste Position entfernt ist, beweglich ist; dadurch gekennzeichnet, dass das freie Ende (32) des beweglichen Elements (31) bezüglich der Flüssigkeitsfließrichtung stromabwärts einer Mitte von dem Bereich des Wärmeerzeugerelements (2) angeordnet ist.
Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß Anspruch 1, wobei durch Bewegung des beweglichen Elements (31) in Erwiderung auf die Bläschenerzeugung ein stromabwärtiger Abschnitt des Bläschens zur stromabwärtigen Richtung des beweglichen Elements (31) hin wächst.
Kopf gemäß Anspruch 1, wobei das freie Ende (32) dem Wärmeerzeugerelement (2) zugewandt und stromabwärts eines Mittelpunktes eines Bläschens, das durch das Wärmeerzeugerelement (2) erzeugt wurde, angeordnet ist.
Kopf gemäß einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, wobei die Flüssigkeitsfließbahn einen Zufuhrkanal (16) für das Zuführen der Flüssigkeit zu dem Wärmeerzeugerelement (2) von stromaufwärts her entlang des Wärmeerzeugerelements (2) hat.
Kopf gemäß Anspruch 4, wobei der Zufuhrkorridor (16) eine innere Wand hat, die im Wesentlichen eben oder leicht gekrümmt ist.
Kopf gemäß Anspruch 1, wobei die Flüssigkeit zu dem Wärmeerzeugerelement von seiner stromaufwärtigen Seite entlang einer Fläche nahe dem Wärmeerzeugerelement zugeführt wird.
Kopf gemäß Anspruch 3, wobei die Flüssigkeit zu dem Wärmeerzeugerelement von seiner stromaufwärtigen Seite entlang einer Seite des beweglichen Elements, das dem Wärmeerzeugerelement zugewandt ist, zugeführt wird.