DE69707043T2

DE69707043T2 - Thermischer Tintenstrahldruckkopf mit optimiertem Flüssigkeitsströmungswiderstand

Info

Publication number: DE69707043T2
Application number: DE69707043T
Authority: DE
Inventors: Lisa A. Delouise; Narayan V. Deshpande; Joel A. Kubby; Eric Peeters; Enrique R. Viturro
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1996-04-15
Filing date: 1997-04-14
Publication date: 2002-02-14
Anticipated expiration: 2017-04-15
Also published as: EP0802055B1; EP0802055A3; EP0802055A2; DE69707043D1; JPH1029311A; US5751317A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen thermischen Tintenstrahldrucker, in dem der Fluidströmungskanal eines jeden Ejektors mit speziell geformten, den Widerstand beeinflussenden Verjüngungen für optimale Betriebseigenschaften versehen ist.
Beim thermischen Tintenstrahldrucken werden Tintentröpfchen selektiv von mehreren Ejektoren in einem Druckkopf ausgespritzt. Die Ejektoren werden in Übereinstimmung mit digitalen Befehlen betrieben, um ein gewünschtes Bild auf einem Druckbogen zu erzeugen, der sich an dem Druckkopf vorbeibewegt. Der Druckkopf kann sich relativ zu dem Bogen wie bei einer Schreibmaschine zurück und vor bewegen, oder die lineare Anordnung kann von einer Größe sein, die sich über die gesamte Breite eines Bogens erstreckt, um das Bild in einem einzigen Durchlauf auf dem Bogen zu erzeugen.
Die Ejektoren haben typischerweise Kapillarkanäle oder andere Tintenkanäle, die mit einer oder mehreren Tintenzuführleitungen verbunden sind. In jedem Kanal wird Tinte solange zurückgehalten, bis auf ein geeignetes digitales Signal die Tinte in dem Kanal durch ein Heizelement, das an einer Oberfläche innerhalb des Kanals angeordnet ist, schnell erhitzt wird. Diese schnelle Verdampfung der Tinte benachbart dem Kanal erzeugt ein Bläschen, das eine flüssige Tintenmenge veranlasst, durch eine Öffnung, die dem Kanal zugeordnet ist, auf den Druckbogen ausgestoßen zu werden. Der Vorgang der schnellen Verdampfung, der ein Bläschen erzeugt, ist allgemein als "Keimbildung" bekannt. Ein Patent, das den allgemeinen Aufbau eines typischen Tintenstrahldruckkopfes zeigt, ist US-Patent Nr. 4 774 530, das auf die Erwerberin dieser Anmeldung übertragen worden ist.
In den meisten Ejektor-Konstruktionen von Tintenstrahldruckköpfen, die gegenwärtig in allgemeinem Gebrauch sind, ist der Kapillarkanal, der die Tinte unmittelbar vor dem Ausstoßen enthält, typischerweise ein einfaches Rohr mit einem gleichförmigen Querschnitt längs seiner gesamten wirksamen Länge. Der Kanal kann rund, quadratisch oder dreieckig im Querschnitt sein, jedoch variiert der Querschnitt an den verschiedenen Punkten längs der Achse des Kapillarkanals nicht. Wenn ein Dampfbläschen aus flüssiger Tinte in einem solchen Kanal entsteht, dehnt das sich entspannende Dampfbläschen aufgrund der Natur der Keimbildungsphysik sich in alle verfügbaren Richtungen aus. Als praktische Tatsache bewirkt eine solche Keimbildung nicht nur, dass flüssige Tinte, die sich in dem Kanal zwischen dem Heizelement und der Düse befindet, aus der Düse ausgestoßen wird, sondern übt auch auf flüssige Tinte, die sich zwischen dem Heizelement und dem Einlass des Kapillarkanals befindet, eine Kraft aus. Mit anderen Worten, bei einem Ejektor üblicher Bauart drückt die Keimbildung eine gewisse Tintenmenge aus dem Kanal hinaus, jedoch auch eine beachtliche Tintenmenge in den Tintentank "zurück".
Der Rückfluss von flüssiger Tinte ist eine Quelle vieler praktischer Nachteile. Zunächst stellt die Tatsache, dass die Hälfte der kinetischen Energie, die von dem Heizelement geliefert wird, nicht dazu verwendet wird, Tinte auf den Druckbogen auszustoßen, eine Energieverschwendung und einen Verlust an Tropfengeschwindigkeit und Tropfenvolumen dar. Weiterhin verursacht die Tatsache, dass flüssige Tinte bei jedem Ausstoß in den Tintentank zurückgedrückt wird, einen erhöhten Zeitbedarf für die Wiederbefüllung des Kapillarkanals mit flüssiger Tinte und beeinträchtigt daher die Betriebsfrequenz einer jeden Spritzdüse ganz erheblich. Kurz gesagt, diese Tintenströmung in zwei Richtungen bei jedem Ausstoß bei Standard-Ejektoren ist ein Kompromiss zwischen Tropfengeschwindigkeit und/oder Tropfenvolumen einerseits und Wiederbefüllungsgeschwindigkeit andererseits.
Die vorliegende Erfindung schlägt eine Konstruktion eines Tintenstrahl-Ejektors vor, die einen Strömungsgleichrichter aufweist, der das Verhältnis von "Rückfluss" zu "Vorwärtsströmung" der flüssigen Tinte bei jedem Ausstoß minimiert.
Im Stand der Technik beschreibt der Artikel von Stemme und Stemme "A Novel Piezoelectric Valveless Fluid Pump", Siebente Internationale Konferenz über Prozesswandler, Yokohama, Japan (1993), Seiten 110-113, der sich auf die PCT-Anmeldung WO-A-94119609 bezieht, eine piezoelektrische Membranpumpe, in der Fluideinlässe und -auslässe ein Verengungselement enthalten, das in einer Strömungsrichtung einen größeren Druckabfall als in der entgegengesetzten Strömungsrichtung aufweist.
US-A-4 368 477 beschreibt einen Tintenstrahldruckkopf, bei dem einzelne Ejektoren jeweils mit einer sich diagonal erstreckenden Tintenleitung versehen sind. Das stromabwärtige Ende jeder Leitung ist mit einem sich keilförmig verengenden Abschnitt versehen, der jeweils eine vordere Randwand aufweist, der eine Abgabeöffnung für Tintentröpfchen hat.
EP-A-0 461 940 beschreibt einen Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf, in dem ein Strömungswiderstandselement stromaufwärts von einem Heizer in einem Tintenkanal vorgesehen ist. Die Wärmeenergie, die von dem Heizer erzeugt wird, erwärmt die Tinte benachbart dem Heizer, um ein Bläschen zu bilden. Da der stromaufwärtige und der stromabwärtige Abschnitt des Tintenkanals benachbart dem Heizer linear sind und konstante Querschnittsgrößen haben, entspannt sich dann das erzeugte Bläschen stromabwärts (in Richtung auf den Auslass) und stromaufwärts (in Richtung auf eine gemeinsame Kammer). Die Komponente des Drucks in Vorwärtsrichtung (in Richtung auf den Düsenauslass) ist zum Ausstoßen der Tinte durch den Düsenauslass wirksam. Die stromaufwärtige Komponente des Drucks wird durch das Strömungswiderstandselement 4 gedämpft. Wenn das Bläschen durch das Strömungswiderstandselement 4 wandert, wird es hinter dem Strömungswiderstandselement 4 abgetrennt und verbleibt dort. Das oder die abgetrennte(n) Bläschen kollabieren, wenn das Bläschen benachbart dem Heizer kollabiert, nachdem es seine maximale Größe erreicht hat.
Die Patent Abstracts of Japan, Band 11, Nr. 356 zeigen einen Tintenstrahl-Druckkopf, in dem der Tintenzuführkanal als Exponentialhorn zwischen einer Druckkammer und einer Tintenzuführkammer ausgebildet ist. Wenn in der Druckkammer eine Tintendruckwelle zum Ausspritzen von Tinte erzeugt wird, pflanzt sich die Druckwelle wegen der Änderung der Querschnittsfläche, die von der hornförmigen Gestalt des Kanals angeboten wird, nicht in die Tintenzuführkammer fort.
Die Patent Abstracts of Japan, band 006, Nr. 093 beschreiben einen Tintenstrahl-Druckkopf, in dem eine Druckwelle innerhalb einer Druckkammer und einer Hilfsdruckkammer erzeugt wird, indem ein elektrisches Signal an Piezoschwinger angelegt wird, um diese zu veranlassen, Tinte aus einem Strahldüsenteil auszustoßen. Ein Rückfluss von Tinte aus der Druckkammer in die Hilfsdruckkammer erfolgt durch einen Quetschkanal, der die beiden verbindet, ist aber aufgrund des Innendrucks innerhalb der Hilfsdruckkammer verhindert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein thermischer Tintenstrahl-Druckkopf angegeben, der wenigstens einen Ejektor aufweist, enthaltend:
einen Aufbau, der einen Fluidströmungskanal für die Durchleitung von flüssiger Tinte definiert, wobei der Fluidströmungskanal längs einer sich von einem Einlass zu einer Düse erstreckenden Achse ausgebildet ist;
ein Heizelement, das innerhalb des Fluidströmungskanals zwischen dem Einlass und der Düse freiliegt, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidströmungskanal ausbildet:
a) eine erste Verjüngung in wenigstens einer Dimension längs der Achse, wobei die Verjüngung zwischen dem Heizelement und dem Einlass angeordnet ist und sich in Richtung auf die Düse öffnet und einen ersten Konuswinkel definiert;
b) eine zweite Verjüngung in wenigstens einer Dimension längs der Achse, wobei die zweite Verjüngung zwischen dem Heizelement und der Düse angeordnet ist und sich gegen den Einlass öffnet und einen zweiten Konuswinkel definiert, der größer als der erste Konuswinkel ist;
c) eine dritte Verjüngung in wenigstens einer Dimension längs der Achse, wobei die dritte Verjüngung zwischen dem Heizelement und dem Einlass angeordnet ist und sich gegen den Einlass öffnet;
d) eine vierte Verjüngung in wenigstens einer Dimension längs der Achse, wobei die vierte Verjüngung zwischen dem Heizelement und der Düse angeordnet ist und sich gegen die Düse öffnet; und
e) eine Erweiterung zwischen der vierten Verjüngung und der Düse, wobei die Erweiterung ein Volumen umschließt, das wenigstens halb so groß wie das Volumen ist, das von dem Kanal zwischen dem Heizelement und der zweiten Verjüngung umschlossen wird.
Der Fluidströmungskanal kann einen hinteren Kanaldiffusor zwischen dem Heizelement und dem Einlass ausbilden. Der hintere Kanaldiffusor enthält eine vordere Verjüngung, die sich gegen die Düse öffnet, und eine hintere Verjüngung, die sich gegen den Einlass öffnet. Der Konuswinkel der vorderen und hinteren Verjüngungen ist so gewählt, dass der Strömungswiderstand der flüssigen Tinte, die durch den hinteren Kanaldiffusor in Richtung auf den Einlass strömt, größer als der Strömungswiderstand der flüssigen Tinte ist, die durch den hinteren Kanaldiffusor in Richtung auf die Düse strömt. Der Fluidströmungskanal kann auch einen vorderen Kanaldiffusor zwischen dem Heizelement und der Düse ausbilden. Der vordere Kanaldiffusor enthält eine vordere Verjüngung, die sich gegen die Düse öffnet, und eine hintere Verjüngung, die sich gegen den Einlass öffnet. Der Konuswinkel der beiden vorderen und hinteren Verjüngungen ist so gewählt, dass der Strömungswiderstand der flüssigen Tinte, die durch den vorderen Kanaldiffusor in Richtung auf den Einlass strömt, größer als der Strömungswiderstand der flüssigen Tinte ist, die durch den vorderen Kanaldiffusor in Richtung auf die Düse strömt.
Es sei jedoch angemerkt, dass andere Energiequellen zur Hervorbringung des Ausstoßes flüssiger Tintentropfen aus dem Kanal verwendet werden können.
Fig. 1 ist eine Draufsicht auf einen einzelnen Ejektor, wie man ihn in einem Tintenstrahl- Druckkopf gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung antreffen würde; und
Fig. 2 ist eine perspektivische Darstellung des Aufbaus eines einzelnen Ejektors von Fig. 1.
Fig. 1 ist eine Draufsicht auf einen einzelnen Ejektor (Kanal), wie man ihn in einem thermischen Tintenstrahldruckkopf gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung finden würde. Wie gut bekannt, ist es typisch für Tintenstrahldruckköpfe, dass sie mehrere Ejektoren enthalten, typischerweise 100 oder mehr solcher Ejektoren, die in gegenseitigem Abstand angeordnet sind, beispielsweise 300 bis 600 Ejektoren auf das lineare Zoll (12 bis 24 pro mm). Wie ebenfalls gut bekannt ist, besteht jeder Druckkopf typischerweise weitgehend aus einem Siliziumaufbau, beispielsweise einem Siliziumchip, das zahlreiche eingeätzte Hohlräume aufweist, die Kapillarkanäle für die Hindurchleitung der flüssigen Tinte ausbilden.
In Fig. 1 erkennt man, dass ein Teil eines Druckkopf-Chips, hier mit 10 bezeichnet, darin einen Fluidströmungskanal ausbildet, der mit 12 bezeichnet ist und längs einer Achse 14 ausgerichtet ist. Der Fluidströmungskanal erstreckt sich von einer Einlassöffnung 16 zu einer Düse 18. Wie auf dem Fachgebiet der thermischen Tintenstrahldruckköpfe bekannt ist, wird flüssige Tinte von einen äußeren (nicht dargestellten) Vorrat durch den Einlass 16 in den Fluidströmungskanal 12 eingeleitet, wo sie großteils durch die Kapillarkraft innerhalb des Kanals 12 festgehalten wird, bis sie durch die Düse 18 ausgestoßen und gegen einen Druckbogen gerichtet wird.
Die Energiequelle für das Ausstoßen der im Kanal 12 enthaltenen flüssigen Tinte durch die Düse 18 auf einen Druckbogen ist bei dieser Ausführungsform ein Heizelement 20. Es sei jedoch angemerkt, dass andere Energiequellen zur Hervorbringung des Ausstoßes flüssiger Tintentropfen aus dem kanal 12 verwendet werden können. Bei üblichen Konstruktionen von thermischen Tintenstrahldruckköpfen hat das Heizelement 20 die Form einer Fläche aus Polysilizium, das auf einen speziellen Widerstandswert dotiert worden ist und von mehreren schützenden Passivierungsschichten (nicht dargestellt) überzogen ist. Das Heizelement 20 mittels leitfähiger Leitungen (nicht dargestellt) mit einer Spannungsquelle verbunden, die aktiviert wird, wenn ein Tintentröpfchen in einem bestimmten Zeitpunkt ausgestoßen werden soll. Das Heizelement 20 dient somit als ein Widerstandsheizer, der in der flüssigen Tinte, die seiner Heizfläche unmittelbar benachbart ist, bei Aktivierung durch eine Spannung eine Keimbildung erzeugt. Diese Keimbildung erzeugt eine Dampfblase, die direkt auf der Oberfläche des Heizelements 20 beginnt und sich dann ausdehnt, wenn die Verdampfung fortschreitet, und in dem Kanal 12 zwischen dem Heizelement 20 und der Düse 18 enthaltene flüssige Tinte wirksam ausstößt, bis die Dampfblase zusammenbricht.
Wenn, wie oben erwähnt, das Heizelement 20 aus der unmittelbar benachbarten flüssigen Tinte eine Dampfblase erzeugt, drückt nicht nur dies von dem Heizelement 20 erzeugte, sich ausdehnende Dampfblase die zwischen dem Heizelement 20 und der Düse befindliche flüssige Tinte aus, sondern drückt auch der Ausgleichsdruck um die Oberfläche der Blase gegen die flüssige Tinte, die sich zwischen dem Heizelement 20 und dem Einlass 16 befindet. Wenn diese Tinte gegen die Blase gedrückt wird, folgt, dass die Tinte aus dem Einlass 16 zurück in den Tintentank gedrückt wird. Um diesen unerwünschten Rückfluss flüssiger Tinte zu minimieren, schlägt die vorliegende Erfindung mehrere strömungsgleichrichtende Strukturen vor, die den relativen Widerstand gegen Tintenfluss längs der Achse 14 beeinflussen, um den Tintenfluss in Richtung auf die Düse 18 zu favorisieren, die entgegengesetzt zum Einlass 16 liegt.
Um diese Widerstandseinstellung auszuführen, sieht die Erfindung mehrere Verjüngungen im Querschnitt des Kanals 12 längs der Achse 14 vor. Gemäß der vorliegenden Erfindung bildet der Kanal 12 einen hinteren Kanaldiffusor 30 und einen vorderen Kanaldiffusor 32 aus. Bezüglich des hinteren Kanaldiffusors 30 kann man sehen, dass dieser Diffusor 30 eine erste Verjüngung 40 und eine zweite Verjüngung 42 aufweist; bezüglich des vorderen Diffusors 32 kann man sehen, dass dieser Diffusor eine dritte Verjüngung 44 und eine vierte Verjüngung 46 aufweist.
Für jeden der hinteren und vorderen Kanaldiffusoren 30 und 32 ist das Ziel der zwei Verjüngungen, dass die relativ sanften ersten und dritten Verjüngungen gegen die Richtung der Düse und die relativ steilen zweiten und vierten Verjüngungen in Richtung auf den Einlass die Funktion der Erzeugung eines hohen Widerstandes für den Tintenfluss vom Heizer 20 in Richtung auf den Einlass und eines relativ geringen Widerstandes für den Tintenfluss in Richtung auf die Düse 18 haben. Somit hat der hintere Kanaldiffusor 30 einen hohen Widerstand während des Ausstoßes eines Tröpfchens flüssiger Tinte durch die Düse 18 und einen niedrigen Widerstand für die Tinte, die durch den Einlass 16 während der Wiederbefüllung in den Kanal 12 eintritt. Bezüglich des vorderen Kanaldiffusors 32 erkennt man, dass ein niedriger Widerstand für die durch den Diffusor hindurch gegen die Düse 18 gedrückte Tinte vorhanden ist, jedoch ein höherer Widerstand für jegliche Tinte, die von der Düse 18 aus nach Innen gezogen wird, was in einer unten im Detail zu beschreibenden Weise auftreten kann.
In einer praktischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die bevorzugten Winkel für die Verjüngen hohen Widerstands, wie 40, 44, nicht größer als 30º im gesamten "Konuswinkel", d. h. von einer Wand des Kanals 12 zur anderen. Im Allgemeinen haben sich im Zusammenhang mit dem Tintenstrahldrucken 30º als oberhalb des kritischen Winkels für den gewünschten Widerstandseffekt liegend erwiesen, was der Winkel ist, bei dem die flüssige Tinte sich mit einer gegebenen Geschwindigkeit von der Wand des Kanals 12 löst. Unter allgemein erwarteten Bedingungen der Tintenzusammensetzung und der Ausstoßfrequenz hat sich gezeigt, dass ein optimaler Konuswinkel bei etwa 10º für die nach vorn weisenden Verjüngungen liegt. Bezüglich der Verjüngungen 42 und 46 sollten die bevorzugten Konuswinkel für diese Verjüngungen nicht größer als 30º sein, können aber auch 90º oder mehr sein.
(Wie in den beigefügten Ansprüchen verwendet, versteht sich, dass der "Konuswinkel" sich auf eine Verjüngung des Fluidströmungskanals in wenigstens einer Dimension bezieht, im Falle eines Fluidströmungskanals von rechteckigem Querschnitt; es versteht sich, dass ein solches Konuswinkelkonzept in gleicher Weise auch an einem halbkreisförmigen oder kreisförmigen Querschnitt anwendbar ist. Weiterhin sind in manchen der Ansprüche jeder der nach hinten weisenden und der nach vorn weisenden Diffusoren 30 bzw. 32 als eine nach vorn weisende und eine nach hinten weisende Verjüngung aufweisend beschrieben, wobei die nach vorn weisenden Verjüngungen sich gegen die Düse und die nach hinten weisenden Verjüngungen sich gegen den Einlass öffnen.)
Für eine keimbildende Blase aus verdampfter Tinte, die von dem Heizelement 20 stammt, wird die von dieser Blase ausgestoßene Tinte einen hohen Widerstand von der Verjüngung 40 antreffen und einen relativ niedrigen Widerstand von der Verjüngung 46. Dieser niedrigere Widerstand durch den vorderen Kanaldiffusor 32 verursacht, dass mehr Tinte durch die Düse 18 ausgestoßen wird, als nach hinten in Richtung auf den Einlass 16 innerhalb endlicher Ausstoßzeit, bevor die Dampfblase zusammenbricht. Auf diese Weise ist der Rückfluss in Richtung auf den Einlass 16 bei jedem Ausstoß verringert.
Nach dem Ausstoß flüssiger Tinte aus der Düse 18 muß ein neuer Vorrat flüssiger Tinte durch den Einlass 16 in den Kanal 12 geladen werden. Die Natur der Verjüngung 42 des hinteren Diffusors 30 erzeugt eine Strömung niedrigen Widerstandes in den Großteil des Kanals 12. Während des Zusammenbrechens der Dampfblase bietet die Hochwiderstands-Eigenschaft der Verjüngung 44 einen hohen Widerstand für die flüssige Tinte, die von dem Raum in den Kanälen 12 zwischen dem Kanaldiffusor 32 und der Düse 18 fließt, wodurch die Wiederverwendung der Zusammenbrechenergie der Blase zum Wiederbefüllen des Fluidströmungskanals durch Einlass 16 und Diffsor 30 hindurch maximiert wird. Es folgt daraus, dass weniger Tinte durch den langsamen Kapillar-Nachfüllvorgang durch den Einlass 16 hindurch zugeführt werden muss, so dass die Wiederbefüllungszeit vermindert und die maximale Druckgeschwindigkeit vergrößert werden.
Weiterhin ist in dem Kanal 12 ein erweiterter Abschnitt ausgebildet, der allgemein mit 50 bezeichnet ist und zwischen der Verjüngung 44 des vorderen Kanaldiffusors 32 und der Düse 18 liegt. Im Anschluss an den Ausstoß eines Tröpfchens flüssiger Tinte durch die Düse 18 bewirkt die Anwesenheit der Erweiterung 50, dass eine kleine Menge flüssiger Tinte selbst nach dem Ausstoß in dem Kanal 12 verbleibt. Diese kleine Tintenmenge, die im Allgemeinen im Bereich des erweiterten Abschnitts 50 verbleibt, kann als Flüssigdichtung dienen, um die Geschwindigkeit und die Effektivität der Wiederbefüllung mit flüssiger Tinte vom Einlass 16 zu verbessern. Der kleine Rest flüssiger Tinte, der durch den erweiterten Abschnitt 50 ermöglicht wird, verhindert auch das unerwünschte Ansaugen von Luft während des Wiederbefüllungsvorgangs; wenn während der Wiederbefüllung Luft über den vorderen Kanaldiffusor 32 angesaugt wird, hat die Anwesenheit solcher Streuluftblase vor dem Ausstoß einen unerwünschten Einfluss auf die Tintenmenge, die beim nächsten Ausstoß ausgestoßen wird und kann auch den Druckkopf beschädigen, wenn beim nächsten Ausstoß keine flüssige Tinte am Heizelement 20 anliegt, um die Wärmeenergie aufzunehmen. Das Ausmaß des erweiterten Abschnitts 50 gegenüber dem übrigen Kanal 12 variiert mit der jeweiligen Konstruktion, aber als allgemeine Richtlinie ist es erwünscht, dass das Extravolumen für den Kanal 12, das durch den erweiterten Abschnitt 50 geschaffen wird, etwa gleich der Hälfte des Volumens ist, das zwischen dem Heizelement 20 und der Verjüngung 46 eingeschlossen ist. Für die Praxis ist wichtig, dass der erweiterte Abschnitt 50 lang genug ist, um eine "Brücke" aus flüssiger Tinte zu bilden, die die Düse 18 wirksam verschließt, um darin nach jedem Ausstoß zu verbleiben.
Mit der Kanalgestaltung der vorliegenden Erfindung werden zwei Hauptvorteile erzielt: zunächst wird bei jedem Ausstoß mehr Tinte durch die Düse 18 als durch den Einlass 16 ausgestoßen, und dann ist die Strömung flüssiger Tinte zum Wiederbefüllen des Kanals 12 nach einem Ausstoß verbessert. Im laufenden Betrieb eines speziellen Ejektors haben diese beiden Vorteile die Wirkung (a) einer Vergrößerung der kinetischen Energie eines jeden durch die Düse abgegebenen Tröpfchens; und (b) einer Vergrößerung der Wiederbefüllgeschwindigkeit, wodurch die maximale Betriebsfrequenz gesteigert wird, was die Zeit zwischen Ausstoßvorgängen ist.
Die zahlreichen Kompromisse, die bei der Gestaltung einer speziellen Version des Ejektors der vorliegenden Erfindung eingegangen werden, können durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:
Pmax = (m · v²) · fmax
wobei Pmax die maximale kinetische Energie (kinetische Energie pro Zeiteinheit) eines ausgestoßenen Tröpfchens, m die Masse eines ausgestoßenen Tröpfchens, v die Geschwindigkeit eines ausgestoßenen Tröpfchens und fmax die maximale Ausstoßfrequenz (d. h. der Kehrwert der Ausstoß- plus Wiederbefüll-Zeit) ist.
Im Allgemeinen hat sich herausgestellt, dass der Konstruktionskompromiss zwischen dem Tröpfchenvolumen und der Tröpfchengeschwindigkeit, wie er durch die o. g. Gleichung zusammenfassend ausgedrückt wird, durch die Wahl der Halsweite zwischen der nach vorn und der nach hinten weisenden Verjüngung jedes Diffusors bestimmt werden kann. Die Anwesenheit eines vorderen Kanaldiffusors, wie z. B. 32, kann die Wirkung haben, dass die Größe eines ausgestoßenen Tröpfchens abnimmt gegenüber dem Zustand bei einem Kanal 12 gleicher Abmessungen mit geraden Wänden. Unter gewissen Bedingungen kann die Emission kleinerer Tröpfchen aber unter dem Gesichtspunkt der Tintenabsorption durch das Papier erwünscht sein.
Fig. 2 ist eine perspektivische, nicht maßstabsgerechte Darstellung des im Abschnitt 10 ausgebildeten Kanals 12, wie in der Draufsicht von Fig. 1 gezeigt. Es ist anzumerken, dass entsprechend gegenwärtig praktischen Techniken der Herstellung von Tintenstrahldruckköpfen der Kanal der vorliegenden Erfindung in der Oberfläche eines Substrats ausgebildet ist, beispielsweise einem Siliziumchip, was zu einem Kanal 12 führt, der einen rechteckigen Querschnitt hat. Obgleich es vorteilhaft sein kann, eine Düse vorzusehen, die einen kreisförmigen oder halbkreisförmigen Querschnitt hat, ist die Verwendung einer Düse mit rechteckigem Querschnitt doch zur Erzielung der gewünschten Widerstände wirkungsvoll. Die Querschnittsfläche des Strömungsweges durch den Fluidströmungskanal 12 kann trotz der Konstruktionen der Diffusoren 30 und 32 konstant gehalten werden, indem tiefere Kanäle mit rechteckigem Querschnitt verwendet werden.
Um das gewünschte Profil der Fluidströmungskanäle 12 gemäß der vorliegenden Erfindung zu erhalten, ist es bevorzugt, Trockenätztechniken einzusetzen, wie das reaktive Ionenätzen von Silizium oder anderen Materialien. Kanäle können in der Oberfläche eines Siliziumchip ausgebildet werden, wie in Fig. 2 gezeigt, und dann kann eine weitere Schicht über die Hauptfläche 60 des Chip hinzugefügt werden, wie in Fig. 2 gezeigt, um den Kanal 12 zu schließen. Eine alternative Technik ist die Ausbildung der gewünschten Profile der Kanäle 12 in einer Polyimidschicht und die sandwichartige Einschließung dieser Polyimidschicht zwischen zwei Siliziumchips, von denen eines oder beide ein an einer geeigneten Stelle darin ausgebildetes Heizelement 20 aufweisen können.

Claims

1. Thermischer Tintenstrahl-Druckkopf, der wenigstens einen Ejektor aufweist, wobei der Ejektor enthält:

einen Aufbau (10), der einen Fluidströmungskanal (12) für die Durchleitung von flüssiger Tinte definiert, wobei der Fluidströmungskanal längs einer sich von einem Einlass (16) zu einer Düse (18) erstreckenden Achse (14) ausgebildet ist;

ein Heizelement (20), das innerhalb des Fluidströmungskanals (12) zwischen dem Einlass (16) und der Düse (18) freiliegt, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidströmungskanal ausbildet:

a) eine erste Verjüngung (40) in wenigstens einer Dimension längs der Achse, wobei die erste Verjüngung zwischen dem Heizelement (20) und dem Einlass (16) angeordnet ist und sich in Richtung auf die Düse (18) öffnet und einen ersten Konuswinkel definiert;

b) eine zweite Verjüngung (46) in wenigstens einer Dimension längs der Achse, wobei die zweite Verjüngung zwischen dem Heizelement (20) und der Düse (18) angeordnet ist und sich gegen den Einlass öffnet und einen zweiten Konuswinkel definiert, der größer als der erste Konuswinkel ist;

c) eine dritte Verjüngung (42) in wenigstens einer Dimension längs der Achse, wobei die dritte Verjüngung zwischen dem Heizelement (20) und dem Einlass (16) angeordnet ist und sich gegen den Einlass (16) öffnet;

d) eine vierte Verjüngung (44) in wenigstens einer Dimension längs der Achse, wobei die vierte Verjüngung zwischen dem Heizelement und der Düse (18) angeordnet ist und sich gegen die Düse (18) öffnet; und

e) eine Erweiterung (50) zwischen der vierten Verjüngung (44) und der Düse (18), wobei die Erweiterung (50) ein Volumen umschließt, das wenigstens halb so groß wie das Volumen ist, das von dem Kanal zwischen dem Heizelement (20) und der zweiten Verjüngung (46) umschlossen wird.

2. Thermischer Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 1, bei dem die erste Verjüngung (40) und die dritte Verjüngung (42) einen hinteren Kanaldiffusor (30) ausbilden und die Konuswinkel der ersten und dritten Verjüngungen (40, 42) derart gewählt sind, dass der Strömungswiderstand für die flüssige Tinte, die durch den hinteren Kanaldiffusor in Richtung auf den Einlass strömt, größer als der Strömungswiderstand der flüssigen Tinte ist, die durch den hinteren Kanaldiffusor in Richtung auf die Düse strömt.

3. Thermischer Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die zweite Verjüngung (46) und die vierte Verjüngung (44) einen vorderen Kanaldiffusor (32) ausbilden und die Konuswinkel der zweiten und vierten Verjüngungen (46, 44) derart gewählt sind, dass der Strömungswiderstand der durch den vorderen Kanaldiffusor (32) in Richtung auf den Einlaß strömenden flüssigen Tinte größer als der Strömungswiderstand der durch den vorderen Kanaldiffusor (32) in Richtung auf die Düse strömenden flüssigen Tinte ist.

4. Thermischer Tintenstrahldruckkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Konuswinkel der ersten Verjüngung (40) und der vierten Verjüngung (44) nicht größer als 30º ist.

5. Thermischer Tintenstrahldruckkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Konuswinkel der zweiten Verjüngung (46) und der dritten Verjüngung (42) nicht kleiner als 30º ist.