DE69929531T2

DE69929531T2 - Tintenstrahldruckkopf und tintenstrahldruckvorrichtung

Info

Publication number: DE69929531T2
Application number: DE69929531T
Authority: DE
Inventors: NEC Corporation Masakazu OKUDA
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1998-10-14
Filing date: 1999-10-13
Publication date: 2006-11-02
Anticipated expiration: 2019-10-14
Also published as: EP1129853A1; CN1323259A; DE69929531D1; JP2000117972A; US6412926B1; WO2000021754A1; EP1129853A4; EP1129853B1; JP3250530B2

Description

Technisches Gebiet:
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf, der eingerichtet ist, um winzige Tintentröpfchen aus einer Düse auszustoßen, um Zeichen oder Bilder aufzuzeichnen, sowie eine Tintenstrahl-Aufzeichnungsvorrichtung, in der der Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf eingebaut ist.
Stand der Technik:
Bisher ist als einer dieser Art von Aufzeichnungsköpfen ein "Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf vom Auf-Anforderung-Typ" weithin bekannt, der gemäß Druckinformationen Tintentröpfchen aus einer Düse ausstößt. Ein Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf vom Auf-Anforderung-Typ wurde zum Beispiel in der geprüften japanischen Patentveröffentlichung (JP-B) Nr. 53-12138 offenbart. 11 ist eine Schnittansicht, die das Konzept einer grundlegenden Konstruktion eines Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfes zeigt, der unter den Tintenstrahl-Aufzeichnungsköpfen vom Auf-Anforderung-Typ als Caesar-Typ bekannt ist.
Wie in 11 gezeigt, sind im Caesar-Typ-Aufzeichnungskopf eine Druckerzeugungskammer 91 und eine übliche Tintenkammer 92 über eine Tintenzuführöffnung (Tintenzuführdurchlass) 93 an einer tintenstromaufwärtigen Seite gekoppelt. An der tintenstromabwärtigen Seite sind die Druckerzeugungskammer 91 und eine Düse 94 gekoppelt. Eine in der Zeichnung gezeigte Bodenplatte der Druckerzeugungskammer 91 ist aus einem Diaphragma 95 aufgebaut, und ein piezoelektrischer Antrieb 96 ist an der rückwärtigen Fläche des Diaphragmas 95 vorgesehen.
In einer solchen Konstruktion wird der piezoelektrische Antrieb 96 zum Durchführen eines Druckvorgangs angetrieben, um das Diaphragma 95 auf Basis von Druckinformationen zu verlagern, wodurch das Volumen der Druckerzeugungskammer 91 plötzlich geändert wird, so dass in der Druckerzeugungskammer 91 eine Druckwelle erzeugt wird. Die Druckwelle bewirkt, dass ein Teil der Tinte, die in die Druckerzeugungskammer 91 gefüllt ist, durch die Düse 94 in Form eines Tintentröpfchens 97 nach draußen eingespritzt wird. Das ausgestoßene Tintentröpfchen 98 trifft auf ein Aufzeichnungsmedium wie z.B. Aufzeichnungs papier auf und bildet einen Aufzeichnungspunkt. Ein solcher Aufzeichnungspunkt wird auf Basis der Druckinformationen wiederholt gebildet, um dadurch ein Zeichen oder ein Bild auf dem Aufzeichnungsmedium aufzuzeichnen.
Mit Bezug auf 12(a) bis (d) und 13 wird nun die Beziehung zwischen dem Verhalten eines Meniskus und der Druckleistung erörtert.
12(a) bis (d) sind Schnittansichten, die einen Änderungsvorgang des Meniskus M der Düse 94 in dem zuvor genannten Tintentröpfchenausstoßvorgang darstellen, und 13 ist ein Graph, der die zeitabhängigen Änderungen der Position des Meniskus M zeigt, nachdem das Tintentröpfchen ausgestoßen wird. Bevor das Tintentröpfchen 97 ausgestoßen wird, wird der Meniskus M so eingestellt, dass er im wesentlichen bündig mit der Öffnungsoberfläche der Düse 94 positioniert ist, wie in 12(a) gezeigt. Wenn der piezoelektrische Antrieb 96 angetrieben und das Tintentröpfchen 97 ausgestoßen wird, bewegt sich der Meniskus M entsprechend der Menge der ausgestoßenen Tinte zurück in die Düse 94, wie in 12(b) gezeigt. Wenn der nächste Ausstoß ausgeführt wird, während sich der Meniskus M noch hinten in der Düse 94 befindet, wie in 12(c) gezeigt, ändert sich zu dieser Zeit die Ausstoßbedingung (Tröpfchendurchmesser, Tröpfchengeschwindigkeit etc.), oder es resultiert ein Ausstoßfehler. Um einen stabilen kontinuierlichen Ausstoß zu erreichen, ist es daher wichtig zu warten, bis der Meniskus, der sich zurückgezogen hat, durch die Wirkung der Oberflächenspannung zurück in die Nähe seiner ursprünglichen Position bewegt wird, wie in 12(d) dargestellt, bevor der nächste Ausstoßzyklus ausgeführt wird. Genauer gesagt ist es wichtig, den nächsten Ausstoßzyklus zu starten, nachdem die Zeit abgelaufen ist, die zum Auffüllen erforderlich ist (Auffüllzeit t_r), nachdem die Tinte ausgestoßen wurde, wie in 13 gezeigt.
Aus der obigen Beschreibung ist verständlich, dass eine maximale Ausstoßfrequenz fe des Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfes von der Auffüllzeit t_r des Kopfes abhängt. Um eine Hochgeschwindigkeitsaufzeichnung durch Betrieb bei maximaler Ausstoßfrequenz fe zu erreichen, ist es insbesondere notwendig, die Auffüllzeit t_r so zu verkürzen, dass sie eine Bedingung erfüllt, die durch t_r < 1/fe angegeben wird. Genauer kann die Auffüllzeit t_r durch Vergrößern einer Querschnittsfläche des durch die Düse 94, die Druckerzeugungskammer 93 und die Tintenzuführöffnung (Tintenzuführdurchlass) 91 gebildeten Durchlasssystems reduziert werden, oder indem die Viskosität der Tinte verringert wird, um dadurch den Durchlasswiderstand zu senken.
Das Verringern des Durchlasswiderstands führt jedoch zu dem Nebeneffekt, dass das Überschwingen X_max des Meniskus M zunimmt, wie in 13 gezeigt, obwohl die Auffüllzeit t_r verkürzt wird. Genauer gesagt bleibt der Zustand (Position oder Geschwindigkeit) des Meniskus M direkt vor dem Ausstoßen des Tintentröpfchens 97 nicht konstant, wenn das Überschwingen X_max groß ist, was zu dem ungünstigen Problem führt, dass der Tröpfchendurchmesser oder die Tröpfchengeschwindigkeit (Ausstoßgeschwindigkeit) des Tröpfchens 97 variiert. Um die Genauigkeit des Tröpfchendurchmessers oder der Tröpfchengeschwindigkeit sicherzustellen, ist es daher erforderlich, das Überschwingen X_max des Meniskus M auf einen vorbestimmten Wert oder weniger zu steuern. Insbesondere zum Erreichen einer Aufzeichnung mit hoher Bildqualität durch Tröpfchendurchmessermodulation ist eine hohe Genauigkeit des Tröpfchendurchmessers und der Tröpfchengeschwindigkeit erforderlich. Aus diesem Grund muss der Überschwingbetrag X_max maximal 10 μm sein. Ein spezifisches Maß zum Unterdrücken des Überschwingens X_max, die Querschnittsfläche des Durchlasssystems, kann verringert werden, oder die Tintenviskosität kann erhöht werden, um den Durchlasswiderstand zu erhöhen. Wie oben erwähnt, bewirkt ein Erhöhen des Durchlasswiderstands jedoch eine Verlängerung der Auffüllzeit t_r, so dass eine Hochgeschwindigkeitsaufzeichnung unpraktischerweise verloren gegeben wird.
Daher ist es in dem Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf extrem schwierig, eine Aufzeichnung mit hoher Bildqualität, die durch Tröpfchendurchmessermodulation ausgeführt wird, und gleichzeitig auch eine Hochgeschwindigkeitsaufzeichnung zu realisieren, weil die widersprüchlichen Bedingungen, nämlich verkürzte Auffüllzeit t_r und begrenztes Überschwingen X_max erfüllt sein müssen. In der Vergangenheit wurden jedoch Versuche untergenommen, sowohl eine Aufzeichnung mit hoher Bildqualität als auch eine Hochgeschwindigkeitsaufzeichnung zu realisieren, indem die Verringerung der Auffüllzeit und die Begrenzung des Überschwingens durch Gestalten der Formen der Düse oder Tintenzuführöffnung (des Tintenzuführdurchlasses) oder dergleichen maximiert und indem die Viskosität der Tinte eingestellt wurde.
Gemäß den oben erwähnten herkömmlichen Versuchen war es jedoch extrem schwierig, die verkürzte Auffüllzeit und das begrenzte Überschwingen über einen breiten Betriebs temperaturbereich der Vorrichtung immer zu erreichen. Dies liegt daran, dass sich die physikalischen Eigenschaften der Tinte infolge der Umgebungstemperaturen ändern, und als Ergebnis ändern sich die Auffüllcharakteristika deutlich.
Wie im Folgenden erörtert wird, sind die Auffüllcharakteristika des Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfes durch die Trägheit (Schallmasse) und den Schallwiderstand des Durchlasssystems, das aus einer Düse, einer Tintenzuführöffnung (einem Tintenzuführdurchlass), einer Druckerzeugungskammer etc. gebildet ist, und der Schallkapazität eines Meniskus bestimmt. Neben diesen Faktoren hängt die Trägheit von der Dichte der Tinte ab, der Schallwiderstand hängt von der Viskosität der Tinte ab, und die Schallkapazität hängt von der Oberflächenspannung der Tinte ab. Wenn sich die Tinteneigenschaften (Dichte, Viskosität und Oberflächenspannung) entsprechend den Umgebungstemperaturen ändern, ändern sich daher die charakteristischen Parameter (Trägheit, Schallwiderstand und Schallkapazität) eines Durchlasssystems entsprechend, was zu einer deutlichen Änderung der Auffüllcharakteristika führt. Tatsächlich kann die Temperaturabhängigkeit der Dichte und der Oberflächenspannung beinahe vernachlässigt werden, wenn die Betriebstemperatur der Vorrichtung im Bereich von 10 bis 35°C liegt (in der Nähe der Raumtemperatur), aber die temperaturabhängig Änderung der Tintenviskosität kann nicht vernachlässigt werden.
Wenn zum Beispiel die Betriebstemperatur der Vorrichtung auf 10 bis 35°C eingestellt wird, entwickelt die Tintenviskosität einer typischen auf Wasser basierenden Tinte eine etwa 2,0-fache bis 2,5-fache Änderung. Wenn die Umgebungstemperatur niedrig ist, nimmt die Tintenviskosität zu, was zu einer Zunahme des Schallwiderstands des Durchlasssystems führt, wodurch es schwierig wird, eine gewünschte Auffüllzeit t_r zu erreichen. Wenn umgekehrt die Umgebungstemperatur steigt, nimmt die Tintenviskosität ab, so dass das Überschwingen X_max des Meniskus zunimmt, obwohl sich die Auffüllzeit t_r verkürzt.
Es wird ein spezielles Beispiel eines Ergebnisses eines Experiments mit einem Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf beschrieben. Bei Raumtemperatur (20°C) betrug die Auffüllzeit t_r 90 μs, und das Überschwingen X_max betrug 5 μm. In dem Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf beträgt eine Zielantriebsfrequenz 10 kHz, und der zulässige Wert des Überschwingens X_max beträgt zu dieser Zeit 10 μm. Daher kann bei Raumtemperatur (20°C) der Zielwert (100 μs oder weniger) der Auffüllzeit t_r sichergestellt werden, und das Überschwingen X_max kann begrenzt werden. Wenn die Umgebungstemperatur jedoch auf 10°C gesenkt wurde, wurde das Überschwingen X_max auf 2 μm verringert und erfüllte dadurch die Überschwingbedingung, wohingegen die Auffüllzeit t_r auf 116 μs erhöht wurde, so dass es nicht mehr möglich war, die Zielauffüllzeit t_r sicherzustellen. Wenn die Umgebungstemperatur auf 35°C erhöht wurde, wurde die Auffüllzeit t_r umgekehrt auf 72 μs verkürzt und erfüllte dadurch die Auffüllzeitbedingung, wohingegen das Überschwingen auf 14 μm erhöht wurde, was darauf hindeutet, dass es nicht mehr möglich war, das Überschwingen X_max zu begrenzen.
Wie oben detailliert beschrieben, ist es, da die Tintenviskosität stark von der Temperatur abhängt, extrem schwierig, über einen breiten Betriebstemperaturbereich der Vorrichtung eine Zielauffüllzeit sicherzustellen und gleichzeitig das Überschwingen zu begrenzen. Insbesondere, wenn der Durchmesser der auszustoßenden Tintentröpfchen auf einen größeren Wert eingestellt wird, um eine Hochgeschwindigkeitsaufzeichnung zu realisieren, wird in der Druckleistung eine deutliche Verschlechterung beobachtet, die auf die temperaturabhängigen Änderungen der physikalischen Eigenschaften der Tinte zurückzuführen ist. Wenn zum Beispiel die Aufzeichnungsauflösung auf einen niedrigen Wert eingestellt wird, etwa 400 dpi, beträgt der erforderliche Tintentröpfchendurchmesser (maximaler Tröpfchendurchmesser) etwa 38 μm bis etwa 43 μm. Wenn ein solch großes Tintentröpfchen ausgestoßen wird, ist das Ausmaß/der Betrag des Rückzugs eines Meniskus unmittelbar nach dem Ausstoß groß. Es ist wahrscheinlich, dass dies eine Zunahme der Auffüllzeit oder des Überschwingens verursacht und auch zu einer erhöhten Anfälligkeit für die Einflüsse der Änderungen der Umgebungstemperatur führt. Tatsächlich war herkömmlicherweise kein Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf verfügbar, der in der Lage ist, unter einer Bedingung, dass ein Tintentröpfchendurchmesser (maximaler Tröpfchendurchmesser) etwa 40 μm beträgt, eine Ausstoßperiode 10 kHz oder mehr beträgt, ein zulässiger Überschwingwert 10 μm beträgt und die Betriebstemperatur der Vorrichtung im Bereich von 10 bis 35°C liegt, die Auffüllzeit perfekt sicherzustellen und gleichzeitig das Überschwingen zu begrenzen. In der vorliegenden Beschreibung bedeutet der Tröpfchendurchmesser den Durchmesser, der durch Umwandeln der Gesamtmenge der in einem Ausstoßzyklus ausgestoßenen Tinte in ein einziges sphärisches Tintentröpfchen erhalten wird.
Entsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf bereitzustellen, der in der Lage ist, eine Zielauffüllzeit immer sicherzustellen und gleichzeitig das Überschwingen zu begrenzen, selbst wenn sich die Umgebungstemperatur ändert, während eine Vorrichtung in Betrieb ist, und der außerdem in der Lage ist, bei hoher Geschwindigkeit ein stabiles Tintentröpfchen mit sehr präzisem Tröpfchendurchmesser und Tröpfchengeschwindigkeit auszustoßen. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Tintenstrahl-Aufzeichnungsvorrichtung bereitzustellen, in der der genannte Kopf eingebaut ist.
Offenbarung der Erfindung
Zu diesem Zweck betrifft die in Anspruch 1 beschriebene Erfindung einen Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf, umfassend eine Druckerzeugungskammer, die mit Tinte gefüllt ist, Druckerzeugungsmittel zum Erzeugen eines Druckes in der Druckerzeugungskammer, eine Tintenzuführkammer zum Zuführen der Tinte an die Druckerzeugungskammer, einen Tintenzuführdurchlass zum Herstellen einer Verbindung zwischen der Tintenzuführkammer und der Druckerzeugungskammer, und eine Düse, die in Verbindung mit der Druckerzeugungskammer steht, wobei das Druckerzeugungsmittel eine Druckänderung bewirkt, die in der Druckerzeugungskammer stattfindet, um ein Tintentröpfchen aus der Düse auszustoßen, dadurch gekennzeichnet, dass die Konfigurationen der Düse, des Tintenzuführdurchlasses und der Druckerzeugungskammer derart bestimmt sind, dass bei einer Temperatur von etwa 20° C eine Gesamtsumme m_T der Trägheit und eine Gesamtsumme r_T des Schallwiderstands der Düse, des Tintenzuführdurchlasses und der Druckerzeugungskammer in einem mit Tinte gefüllten Zustand die Ausdrücke (4) und (5) erfüllen: 0 < mT < 1.9 × 108 [kg/m4] (4) 4.0 × 1012 < rT < 11.0 × 1012 [Ns/m5] (5).
Die in Anspruch 2 beschriebene Erfindung betrifft den in Anspruch 1 beschriebenen Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf 1, wobei die Düse einen sich verjüngenden Abschnitt aufweist, dessen Durchmesser sich allmählich in Richtung der Druckerzeugungskammer vergrößert, und wobei der Verjüngungswinkel des sich verjüngenden Abschnitts 10 bis 45° beträgt.
Die in Anspruch 3 beschriebene Erfindung betrifft den in Anspruch 1 beschriebenen Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf, wobei die Düse aus einem geraden Abschnitt, der in der Nähe einer Öffnung vorgesehen ist, und einem sich verjüngenden Abschnitt, der sich in Richtung der Druckerzeugungskammer allmählich vergrößert, gebildet ist und der sich verjüngende Winkel des sich verjüngenden Abschnittes 15 bis 45° beträgt.
Die in Anspruch 4 beschriebene Erfindung betrifft den in Anspruch 1 beschriebenen Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf, wobei der Durchmesser der Düse in Richtung der Druckerzeugungskammer allmählich zunimmt, der Längsschnitt der Düse in eine Krümmung geformt ist, die einen Radius aufweist, der im Wesentlichen gleich der Länge der Düse ist, und die Länge der Düse 50 bis 100 μm beträgt.
Die in Anspruch 5 beschriebene Erfindung betrifft den in Anspruch 1, 2, 3 oder 4 beschriebenen Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf, wobei der Öffnungsdurchmesser der Düse 25 bis 32 μm beträgt.
Die in Anspruch 6 beschriebene Erfindung betrifft den in Anspruch 1 beschriebenen Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf, wobei der Tintenzuführdurchlass eine Tintenzuführöffnung zum Herstellen einer Verbindung zwischen der Tintenzuführkammer und der Druckerzeugungskammer ist.
Die in Anspruch 7 beschriebene Erfindung betrifft den in Anspruch 1 beschriebenen Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf, wobei der maximale Tröpfchendurchmesser eines Tintentröpfchens auf 38 bis 43 μm eingestellt ist.
Die in Anspruch 8 beschriebene Erfindung betrifft den in Anspruch 1 beschriebenen Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf, wobei der Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf Tinte mit einer Oberflächenspannung von 25 bis 35 mN/m verwendet.
Die in Anspruch 9 beschriebene Erfindung betrifft den in Anspruch 1 beschriebenen Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf, wobei der Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf Tinte verwendet, deren Viskosität derart festgesetzt ist, dass die Gesamtsumme r_T des Schallwiderstands (der Wert bei einer Temperatur von im Wesentlichen 20°C) der Düse, des Tintenzuführdurchlasses und der Druckerzeugungskammer in einem mit Tinte gefüllten Zustand den Ausdruck (6) erfüllt: 4.0 × 1012 < rT < 11.0 × 1012 [Ns/m5] (6).
Die in Anspruch 10 beschriebene Erfindung betrifft eine Tintenstrahl-Aufzeichnungsvorrichtung umfassend den in einem der Ansprüche 1 bis 9 beschriebenen Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen:
1(a) ist eine Schnittansicht, die das Konzept des Aufbaus eines Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfes zeigt, der in einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird; 1(b) ist eine Explosionsschnittansicht, die den Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf in demontiertem Zustand zeigt; 2 ist ein Blockdiagramm, das eine elektrische Konfiguration einer Antriebsschaltung vom nicht-modulierten Tröpfchendurchmesser-Typ zeigt, die den Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf in einem binären Modus antreibt; 3 ist ein Blockdiagramm, das eine elektrische Konfiguration einer Antriebsschaltung vom modulierten Tröpfchendurchmesser-Typ zeigt, die den Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf in einem Mehrfach-Grauskalenmodus antreibt; 4 ist eine Schnittansicht, die die Form einer Düse zeigt, die den Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf ausmacht (eine Tintenzuführöffnung weist die gleiche Form auf); 5 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen einer Trägheit m_T und einem Schallwiderstand r_T eines gesamten Durchlassdurchmessers in der Ausführungsform zeigt; 6 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen einer Trägheit m_T und einem Schallwiderstand r_T eines gesamten Durchlassdurchmessers in der Ausführungsform zeigt; 7 ist eine Schnittansicht, die die Form einer Düse zeigt (eine Tintenzuführöffnung weist die gleiche Form auf), die eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist; 8 ist eine Schnittansicht, die die Form einer Düse zeigt (eine Tintenzuführöffnung weist die gleiche Form auf), die eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist; 9 ist ein Diagramm zur Erläuterung der theoretischen Gültigkeit der vorliegenden Erfindung und ist ein äquivalentes Schaltdiagramm eines Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfes in einem Auffüllvorgang; 10 ist ein Diagramm zur Erläuterung der theoretischen Gültigkeit der vorliegenden Erfindung und ist ein Graph, der die Beziehung zwischen einer Trägheit m_T und einem Schallwiderstand r_T eines gesamten Durchlassdurchmessers zeigt; 11 ist ein Diagramm zur Erläuterung einer herkömmlichen Technik und ist eine Schnittansicht, die das Konzept der grundlegenden Konstruktion eines Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfes zeigt, der unter Tintenstrahl-Aufzeichnungsköpfen vom Auf-Anforderung-Typ als Caesar-Typ bekannt ist; 12(a) bis (d) sind Diagramme zur Erläuterung der herkömmlichen Technik und sind Schnittansichten, die zeigen, wie sich der Meniskus einer Düse im genannten Tintentröpfchenausstoßvorgang ändert; und 13 ist ein Diagramm zur Erläuterung des Standes der Technik und zeigt die zeitabhängigen Änderungen der Position des Meniskus, nachdem ein Tintentröpfchen ausgestoßen wurde.
Beste Art der Ausführung der Erfindung:
Mit Bezug auf die Zeichnungen werden nun die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Um das bessere Verständnis der vorliegenden Erfindung zu fördern, wird zuerst die theoretische Grundlage der Gültigkeit der vorliegenden Erfindung erläutert, indem ein Schaltungsmodell verwendet wird, das einem konzentrierten konstanten System äquivalent ist.
9 ist ein äquivalentes Schaltdiagramm, das einen Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf in einem Auffüllvorgang zeigt. Aus der äquivalenten Schaltung ist verständlich, dass die Meniskusbewegung im Auffüllvorgang durch die Differentialgleichung des Ausdrucks (7) bestimmt wird:
In Ausdruck (7) bezeichnet m_T die Gesamtsumme der Trägheit (Schallmasse) einer Düse, eines Tintenzuführdurchlasses und einer Druckerzeugungskammer in einem tintengefüllten Zustand. Die Trägheit m in jeder Komponente wird durch Gleichung (8) bestimmt, wobei die Leitungsschnittfläche als S [m2], die Leitungslänge als 1 [m] und die Tintendichte als ρ [kg/m³] bezeichnet wird:
In Ausdruck (7) bezeichnet m_T die Gesamtsumme der Schallwiderstände der Düse, des Tintenzuführdurchlasses und der Druckerzeugungskammer in einem tintengefüllten Zustand. Der Schallwiderstand r in jeder Komponente an einem Abschnitt, an dem der Leitungsschnitt rund ist, wird durch den Ausdruck (9) bestimmt, wenn die Tintenviskosität als η [Pa·s] und der Leitungsdurchmesser als d [m] bezeichnet wird. An einem Abschnitt, an dem der Leitungsschnitt rechtwinklig ist, wird der Schallwiderstand r durch Ausdruck (10) bestimmt, wenn das Längenverhältnis (das Schlankheitsverhältnis) des Abschnitts als z bezeichnet wird:
In Ausdruck (7) bezeichnet C3 die Schallkapazität [m⁵/N] eines Meniskus und wird durch Ausdruck (11) bestimmt, wenn ein Düsenöffnungsdurchmesser als d₃ [m], die Oberflächenspannung der Tinte als σ [N/m] und der Rückzug des Meniskus als x [m] bezeichnet wird:
Um die zeitabhängigen Änderungen der Position des Meniskus aus Ausdruck (7) zu bestimmen, ist es erforderlich, eine Ausgangsposition x₀ des Meniskus beim Beginn des Auffüllens anzugeben (siehe 12(b) und 13). Wenn der Tröpfchendurchmesser als d_d [m] bezeichnet wird, wird die Ausgangsposition x₀ des Meniskus durch Ausdruck (12) gegeben. Ein Koeffizient κ nimmt normalerweise einen Wert von etwa 0,5 bis 0,7 an, obwohl er sich abhängig von der Form der Düse oder dergleichen etwas ändert. In Berechnungen, die vor allem vom Erfinder mit Bezug auf die vorliegenden Anmeldung durchgeführt wurden, wurde der Koeffizient basierend auf dem Ergebnis von Experimenten auf κ = 0,67 gesetzt.
Wie aus Ausdruck (7) bis Ausdruck (12) verständlich ist, gibt es nur zwei Parameter, die den Auffüllvorgang bestimmen, wenn der Düsenöffnungsdurchmesser d₃ (12(a)), die Oberflächenspannung σ der Tinte und der Tröpfchendurchmesser d_d der Tinte bestimmt worden sind, nämlich die Trägheit m_T und der Schallwiderstand r_T. Mit anderen Worten bestimmt die Kombination der Trägheit m_R und des Schallwiderstands r_T die Auffüllcharakteristika (Auffüllzeit und Überschwingbetrag). In diesem Fall bestimmt das Einstellen der Trägheit m_T auf einen bestimmten Wert die Obergrenze des Schallwiderstands r_T zum Erreichen einer Zielauffüllzeit und die Untergrenze des Schallwiderstands r_T zum Steuern des Überschwingbetrags auf einen zulässigen Wert oder weniger. Ein tatsächliches Beispiel ist in dem in 10 gezeigten Graph dargestellt (berechnet unter einer Bedingung, dass d₃ = 30 μm, σ = 33 mN/m, d_d = 40 μm und die Ausstoßfrequenz fe = 10 kHz ist). In dem in 10 gezeigten Graph sind die Ober-/Untergrenzen des Schallwiderstands r_T entsprechend jeder Trägheit m_T aufgetragen, wenn die Trägheit m_T innerhalb des Bereichs von 0,5 bis 4,5 × 10⁸ kg/m⁴ verändert wird.
In 10 zeigt die durch ☐ angegebene Darstellung die Obergrenze des Schallwiderstands r_T zum Sicherstellen einer Zielauffüllzeit (100 μs). Wenn der Schallwiderstand r_T die Obergrenze überschreitet, kann die Zielausstoßfrequenz nicht erhalten werden. Durch ♦ angegebene Darstellung zeigt die Untergrenze des Schallwiderstands r_T zum Steuern des Überschwingbetrags auf den zulässigen Wert (10 μm) oder weniger. Daher ist es möglich, die Zielauffüllzeit sicherzustellen und gleichzeitig das Überschwingen zu begrenzen, indem die Trägheit m_T und der Schallwiderstand r_T so eingestellt werden, dass der Schallwiderstand r_T innerhalb des durch die Obergrenze und die Untergrenze definierten Bereichs (des schraffierten Bereichs) bleibt.
In einem Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf wird zum Beispiel angenommen, dass die Kombination der Trägheit m_T und des Schallwiderstands r_T (berechnet unter Verwendung einer Tintenviskosität von 2,9 mPa·s bei 20°C) an der Position liegt, die durch eine Darstellung angegeben ist, die in 10 als 0 angegeben gezeigt ist, wenn die Umgebungstemperatur Raumtemperatur (20°C) ist. Bei einer Umgebungstemperatur von Raumtemperatur (20°C) liegt der Schallwiderstand r_T zwischen der Obergrenze und der Untergrenze, so dass die Zielauffüllzeit sichergestellt werden kann und gleichzeitig das Überschwingen begrenzt werden kann. Wenn sich die Umgebungstemperatur jedoch im Bereich von 10 bis 35°C ändert, ändert sich dann die Tintenviskosität η im Bereich von 1,8 bis 3,8 mPa·s. Dies bewirkt, dass sich der Schallwiderstand r_T in dem in 10 durch die Pfeile definierten Bereich verändert. Das bedeutet, dass der Schallwiderstand r_T bei einer niedrigeren Temperatur die Obergrenze überschreitet, so dass die Auffüllzeit das Ziel überschreitet. Bei einer höheren Temperatur überschreitet der Schallwiderstand r_T die untere Grenze, so dass der Überschwingbetrags den zulässigen Wert überschreitet. Mit anderen Worten weist der Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf eine Kopfstruktur auf, die nicht erfolgreich mit den Änderungen in der Umgebungstemperatur umgehen kann.
Es wird ein weiterer Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf erörtert. In diesem Kopf liegt die Kombination der Trägheit m_T und des Schallwiderstands r_T an der Position, die durch Darstellung angegeben ist, die in 10 durch Δ bezeichnet gezeigt ist, wenn die Umgebungstemperatur die Raumtemperatur (20°C) ist. Wie aus 10 offensichtlich ist, bleibt dieser Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf immer zwischen der Obergrenze und der Untergrenze, selbst wenn sich die Umgebungstemperatur im Bereich von 10 bis 35°C ändert. Daher ist dieser Kopf in der Lage, immer eine Zielauffüllzeit sicherzustellen und das Überschwingen gleichzeitig im Bereich von 10 bis 35°C zu begrenzen, und ist entsprechend in der Lage, erfolgreich mit Änderungen der Umgebungstemperatur umzugehen. Mit anderen Worten ist es wichtig, die Trägheit m_T und den Schallwiderstand r_T so einzustellen, dass der Schallwiderstand r_T innerhalb eines Betriebstemperaturbereichs der Vorrichtung immer zwischen der Obergrenze und der Untergrenze positioniert ist, um es einem Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf zu ermöglichen, erfolgreich mit Änderungen der Umgebungstemperatur umzugehen.
Herkömmlicherweise war jedoch kein Konstruktionskonzept bekannt, das auf dem Blickwinkel der optimierten Balance zwischen der Trägheit m_T und dem Schallwiderstand r_T basiert. Aus diesem Grund ist entsprechend den analytischen Ergebnissen, die vorwiegend vom Erfinder der vorliegenden Anmeldung erhalten wurden, kein Kopf verfügbar, der so konstruiert ist, dass ein Tintentröpfchendurchmesser auf 38 bis 43 μm eingestellt ist, und der Schallwiderstand r_T über den gesamten Bereich von Umgebungstemperaturen von 10 bis 35°C immer in einem zulässigen Bereich liegt (dem Bereich zwischen einem oberen Grenzwert und einem unteren Grenzwert).
Wie aus Ausdruck (7) bis Ausdruck (12) verständlich ist, wird der zulässige Bereich der Trägheit m_T und des Schallwiderstands r_T inhärent als eine Funktion wiedergegeben, die von fünf Parametern abhängt, nämlich dem Tintentröpfchendurchmesser d_d, dem Düsenöffnungsdurchmesser d₃, der Oberflächenspannung σ der Tinte, einer maximalen Ausstoßfrequenz und einem zulässigen Überschwingwert. Die vorliegende Erfindung deckt jedoch einen Aufzeichnungsbetrieb mit großem Tröpfchen bei niedriger Auflösung (etwa 400 dpi) ab, wobei die Einflüsse der Umgebungstemperatur besonders deutlich sind. Daher kann der zulässige Bereich der Trägheit m_T und des Schallwiderstands r_T numerisch wie unten beschrieben angegeben werden.
Genauer gesagt werden, wenn die maximale Ausstoßfrequenz auf 10 kHz und der zulässige Überschwingwert auf 10 μm eingestellt werden, die größten optimalen Werte des höheren Grenzwerts der Trägheit m_T und des Schallwiderstands r_T in dem Bereich erhalten, den die vorliegende Erfindung betrifft (der maximale Tröpfchendurchmesser eines Tintentröpfchens d_d = 38 bis 43 μm, der Düsenöffnungsdurchmesser d₃ = 25 bis 32 μm und die Oberflächenspannung der Tinte σ = 25 bis 35 mN/m), wenn der Tintentröpfchendurchmesser d_d = 38 μm, der Düsenöffnungsdurchmesser d₃ = 25 μm und die Oberflächenspannung der Tinte σ = 35 mN/m ist. Wenn der Änderungsbereich der Umgebungstemperatur etwa 10 bis etwa 35°C ist, ist der wünschenswerte obere Grenzwert der Trägheit m_T etwa 1,9 × 10⁸ kg/m⁴, und der zulässige Bereich des Schallwiderstands r_T (20°) ist 9,0 × 10¹² < r_T < 11,0 × 10¹² [Ns/m⁵]. Umgekehrt werden die kleinsten optimalen Werte des oberen Grenzwerts der Trägheit m_T und T des Schallwiderstands r erhalten, wenn der Tintentröpfchendurchmesser d_d = 43 μm, der Düsenöffnungsdurchmesser d₃ = 32 μm und die Oberflächenspannung der Tinte σ = 28 mN/m ist. Zu dieser Zeit beträgt der obere Grenzwert der Trägheit m_T etwa 0,9 × 10⁸ kg/m⁴, und der zulässige Bereich des Schallwiderstands r_T (20°C) beträgt 4,0 × 10¹² < r_T < 5,0 × 10¹² [Ns/m⁵].
Entsprechend müssen im Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf, der auf den durch die vorliegende Erfindung abgedeckten Bereich eingestellt ist (der maximale Tröpfchendurchmesser eines Tintentröpfchens ist d_d = 38 bis 43 μm, der Düsenöffnungsdurchmesser ist d₃ = 25 bis 32 μm, und die Oberflächenspannung der Tinte ist σ = 25 bis 35 mN/m), mindestens die Bedingungen der Ausdrücke (13) und (14) erfüllt sein, um eine maximale Ausstoßfrequenz von 10 kHz oder mehr und einen zulässigen Überschwingwert von 10 μm über den gesamten Umgebungstemperaturbereich von etwa 10 bis etwa 35°C zu realisieren: 0 < mT < 1,9 × 108 [kg/m4] (13) 4,0 × 1012 < rT < 11,0 × 1012 [Ns/m5] (14)
Es werden nun die speziellen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erläutert.
Erste Ausführunsgform
1(a) ist eine Schnittansicht, die den Aufbau eines Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfes zeigt, der an einer Tintenstrahl-Aufzeichnungsvorrichtung angebracht ist und eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt; 1(b) ist eine Explosionsschnittansicht, die den Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf in demontiertem Zustand zeigt, 2 ist ein Blockdiagramm, das eine elektrische Konfiguration einer Antriebs schaltung vom nicht-modulierten Tröpfchendurchmesser-Typ zeigt, die den Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf antreibt, und 3 ist ein Blockdiagramm, das eine elektrische Konfiguration einer Antriebsschaltung vom modulierten Tröpfchendurchmesser-Typ zeigt, die den Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf antreibt.
Der Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf dieses Beispiels ist, wie in 1(a) gezeigt, ein Mehrdüsenaufzeichnungskopf vom Auf-Anforderung-Caesar-Typ, der nach Bedarf ein Tintentröpfchen 1 ausstößt, um ein Zeichen oder Bild auf Aufzeichnungspapier zu drucken. Wie in 1(a) gezeigt, besteht der Aufzeichnungskopf hauptsächlich aus einer Mehrzahl Druckerzeugungskammern 2, die individuell in langen und schlanken Würfelformen gebildet sind und in der Zeichnung vertikal angeordnet sind, einem Diaphragma 3, dass die Unterfläche jeder der Druckerzeugungskammern 2 in der Zeichnung ausmacht, einer Mehrzahl piezoelektrischer Antriebe 4, die Seite an Seite an den rückwärtigen Oberflächen der Diaphragmen 3 vorgesehen sind, um zu den Druckerzeugungskammern 2 zu passen und aus laminierter piezoelektrischer Keramik bestehen, einer üblichen Tintenkammer (Tintenvorrat) 5, die mit einem Tintenbehälter gekoppelt ist, der nicht gezeigt ist, um Tinte an die Druckerzeugungskammern 2 zuzuführen, einer Mehrzahl Tintenzuführöffnungen (Verbindungsöffnungen) 6 zum Herstellen einer Eins-zu-Eins-Verbindung zwischen der üblichen Tintenkammer 5 und den Druckerzeugungskammern 2 und einer Mehrzahl Düsen 7, die vorgesehen sind, um eins zu eins auf die Druckerzeugungskammern 2 abgestimmt zu werden und das Tintentröpfchen 1 von den distalen Enden auszustoßen, die an den Oberteilen der Druckerzeugungskammern 2 vorstehen. Die übliche Tintenkammer 5, die Tintenzuführdurchlässe 6, die Druckerzeugungskammern 2 und die Düsen 7 bilden ein Durchlasssystem, in dem sich Tinte in dieser Reihenfolge bewegt. Die piezoelektrischen Antriebe 4 und die Diaphragmen 3 bilden ein Vibrationssystem zum Anlegen einer Druckwelle an die Tinte in den Druckerzeugungskammern 2. Die Kontaktpunkte des Durchlasssystems und des Vibrationssystems stellen die Bodenflächen der Druckerzeugungskammern 2 dar (d.h. die Oberflächen der Diaphragmen 3 in der Zeichnung).
Im Kopfherstellungsprozess dieser Ausführungsform sind, wie in 1(b) gezeigt, eine Düsenplatte 7a, in der die Mehrzahl Düsen 7 in Säulen oder in einem Zickzackmuster angeordnet und geöffnet ist, eine Vorratsplatte 5a, in der ein Abstandsabschnitt der üblichen Tintenkammer 5 gebildet ist, eine Zuführöffnungsplatte 6a, in die ein Tintenzuführöffnung gebohrt ist, eine Druckerzeugungskammerplatte 2a, in der eine Mehrzahl Abstandsabschnitte der Mehrzahl Druckerzeugungskammern 2 gebildet ist, und Vibrationsplatten 3a, die die Mehrzahl Diaphragmen 3a bilden, im voraus vorbereitet. Danach werden diese Platten 2a, 3a und 5a bis 7a unter Verwendung einer epoxybasierenden Haftmittelschicht mit einer Stärke von etwa 20 μm, nicht gezeigt, haftend verbunden, um eine laminierte Platte zu bilden. Dann werden die vorbereitete laminierte Platte und der piezoelektrische Antrieb 4 unter Verwendung einer epoxybasierenden Haftmittelschicht verbunden, um dadurch den Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf mit der erwähnten Konstruktion herzustellen. In diesem Beispiel wird eine Nickelplatte, die durch Elektrogießen (Elektroformen) hergestellt ist und eine Stärke von 50 bis 75 μm aufweist, für die Vibrationsplatte 3a verwendet, während eine rostfreie Platte mit einer Stärke von 50 bis 75 μm für die anderen Platten 2a und 5a bis 7a verwendet wird.
Mit Bezug auf 2 und 3 wird nun die elektrische Konfiguration einer Antriebsschaltung beschrieben, die die Tintenstrahl-Aufzeichnungsvorrichtung dieses Beispiel bildet und den Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf mit der erwähnten Konstruktion antreibt.
Die Tintenstrahl-Aufzeichnungsvorrichtung dieses Beispiels weist eine CPU (zentrale Prozesseinheit) und Speicher wie z.B. einen ROM und einen RAM auf, die nicht gezeigt sind. Die CPU steuert die Komponenten der Vorrichtung, indem ein Programm ausgeführt wird, das in dem ROM gespeichert ist, und diverse Register und Kennzeichen verwendet werden, die in dem RAM gesichert sind, um auf Basis von Druckinformation, die durch eine Schnittstelle von einer Hostvorrichtung, wie z.B. einem Personal Computer, geliefert werden, Zeichen oder Bilder auf Aufzeichnungspapier zu drucken.
Zunächst erzeugt die in 2 gezeigte Antriebsschaltung ein vorbestimmtes Antriebswellenformsignal und leistungsverstärkt es, führt das Signal dann vorbestimmten piezoelektrischen Antrieben 4, 4, ... zu, die mit der Druckinformation assoziiert sind, um die Antriebe so anzutreiben, dass sie das Tintentröpfchen 1 ausstoßen, das immer im wesentlichen den gleichen Tröpfchendurchmesser aufweist, um ein Zeichen oder ein Bild auf dem Aufzeichnungspapier zu drucken. Die Antriebsschaltung besteht im Wesentlichen aus einer Wellenformerzeugungsschaltung 21, einer Leistungsverstärkungsschaltung 22 und einer Mehrzahl Schaltungen 23, 23, ..., die eins zu eins mit den piezoelektrischen Antrieben 4, 4, ... verbunden sind.
Die Wellenformerzeugungsschaltung 21 wird durch eine Digital-Analog-Umwandlungsschaltung und eine Integrationsschaltung gebildet und wandelt die Antriebswellenformdaten, die durch die CPU aus einem vorbestimmten Speicherbereich des ROMS gelesen werden, in analoge Daten um und führt dann eine Integration der analogen Daten durch, um ein Antriebswellenformsignal zu erzeugen. Die Leistungsverstärkungsschaltung 22 leistungsverstärkt das von der Wellenformerzeugungsschaltung 21 zugeführte Antriebswellenformsignal und gibt das verstärkte Antriebswellenformsignal als Spannungswellenformsignal aus. Das Eingangsende der Schaltung 23 ist mit einem Ausgangsende der Leistungsverstärkungsschaltung 22 verbunden, und ihr Ausgangsende ist mit einem Ende des zugehörigen piezoelektrischen Antriebs 4 verbunden. Das Anlegen eines Steuersignals, das mit Druckinformationen assoziiert ist, die von der Antriebssteuerschaltung, nicht gezeigt, ausgegeben werden, an ihr Steuerende bewirkt, dass die Schaltung 23 EIN geschaltet wird, um ein Spannungswellenformsignal, das von der zugehörigen Leistungsverstärkungsschaltung 22 ausgegeben wird, an den piezoelektrischen Antrieb 4 anzulegen. Zu dieser Zeit bewirkt der piezoelektrische Antrieb 4, dass das Diaphragma 3 auf Basis des angelegten Spannungswellenformsignals verschoben wird. Die Verschiebung des Diaphragmas 3 bewirkt eine Änderung des Volumens der Druckerzeugungskammer 2, um eine vorbestimmte Druckwelle in der mit Tinte gefüllten Druckerzeugungskammer 2 zu erzeugen, und das Tintentröpfchen 1 mit einem vorbestimmten Tröpfchendurchmesser wird durch die Druckwelle aus der Düse 7 ausgestoßen. Das ausgestoßene Tintentröpfchen trifft auf ein Aufzeichnungsmedium wie z.B. Aufzeichnungspapier auf, um einen Aufzeichnungspunkt zu bilden. Ein solcher Aufzeichnungspunkt wird auf Basis der Druckinformation wiederholt gebildet, um dadurch im binären Modus ein Zeichen oder ein Bild auf dem Aufzeichnungspapier zu bilden.
Die in 3 gezeigte Antriebsschaltung ist eine Antriebsschaltung vom Tröpfchendurchmesser modulierenden Typ, die eingerichtet ist, um den Durchmesser des Tintentröpfchenausstoßes aus der Düse in mehreren Schritten zu ändern (in diesem Beispiel in drei Schritten, nämlich ein großes Tröpfchen mit einem Tröpfchendurchmesser von etwa 40 μm, ein mittleres Tröpfchen von etwa 30 μm und ein kleines Tröpfchen von etwa 20 μm), um in mehrfachen Grauskalen Zeichen oder Bilder auf Aufzeichnungspapier zu drucken. Die Antriebsschaltung ist im Wesentlichen aus drei Arten von Wellenformerzeugungsschaltungen 31a, 31b und 31c für unterschiedliche Tröpfchendurchmesser, Leistungsverstärkerschaltungen 32a, 32b und 32c, die eins zu eins mit diesen Wellenformerzeugungsschaltungen 31a, 31b bzw. 31c verbunden sind, und einer Mehrzahl Schaltungen 33, 33, ..., die eins zu eins mit den piezoelektrischen Antrieben 4, 4, ... verbunden sind, gebildet.
Jede der Wellenformerzeugungsschaltungen 31a bis 31c ist aus einer Digital-Analog-Umwandlungsschaltung und einer Integrierschaltung aufgebaut. Von den Wellenformerzeugungsschaltungen 31a bis 31c wandelt die Wellenformerzeugungsschaltung 31a die Antriebswellenformdaten zum Ausstoßen großer Tröpfchen, die von der CPU aus einem vorbestimmten Speicherbereich des ROM gelesen werden, in analoge Daten um und führt eine Integration der Daten aus, um das Antriebswellenformsignal zum Ausstoßen großer Tröpfchen zu erzeugen. Die Wellenformerzeugungsschaltung 31b wandelt die Antriebswellenformdaten zum Ausstoßen mittlerer Tröpfchen, die von der CPU aus einem vorbestimmten Speicherbereich des ROM gelesen werden, in analoge Daten um und führt die Integration der Daten aus, um das Antriebswellenformsignal zum Ausstoßen mittlerer Tröpfchen zu erzeugen. Die Wellenformerzeugungsschaltung 31c wandelt die Antriebswellenformdaten zum Ausstoßen kleiner Tröpfchen, die von der CPU aus einem vorbestimmten Speicherbereich des ROM gelesen werden, in analoge Daten um und führt die Integration der Daten aus, um das Antriebswellenformsignal zum Ausstoßen kleiner Tröpfchen zu erzeugen. Die Leistungsverstärkungsschaltung 32a leistungsverstärkt das Antriebswellenformsignal zum Ausstoßen großer Tröpfchen, das von der Wellenformerzeugungsschaltung 31a zugeführt wird, und gibt das verstärkte Signal als Spannungswellenformsignal zum Ausstoßen großer Tröpfchen aus. Die Leistungsverstärkungsschaltung 32b leistungsverstärkt das Antriebswellenformsignal zum Ausstoßen mittlerer Tröpfchen, das von der Wellenformerzeugungsschaltung 31b zugeführt wird, und gibt das verstärkte Signal als Spannungswellenformsignal zum Ausstoßen mittlerer Tröpfchen aus. Die Leistungsverstärkungsschaltung 32c leistungsverstärkt das Antriebswellenformsignal zum Ausstoßen kleiner Tröpfchen, das von der Wellenformerzeugungsschaltung 31c zugeführt wird, und gibt das verstärkte Signal als Spannungswellenformsignal zum Ausstoßen kleiner Tröpfchen aus.
Die Schaltung 33 ist aus ersten, zweiten und dritten Transfergattern, nicht gezeigt, aufgebaut. Ein Eingangsende des ersten Transfergatters ist mit einem Ausgangsende der Leistungsverstärkungsschaltung 32a verbunden, ein Eingangsende des zweiten Transfergatters ist mit einem Ausgangsende der Leistungsverstärkungsschaltung 32b verbunden, und ein Eingangsende des dritten Transfergatters ist mit einem Ausgangsende der Leistungsverstärkungsschaltung 32c verbunden. Ausgangsenden der ersten, zweiten und dritten Transfergatter sind mit einem Ende eines entsprechenden gemeinsamen piezoelektrischen Antriebs 4 verbunden. Wenn ein Grauskalensteuersignal, das auf der von einer Antriebssteuerschaltung, nicht gezeigt, ausgegebenen Druckinformation basiert, einem Steuerende des ersten Transfergatters eingegeben wird, wird das erste Transfergatter EIN geschaltet, um das Spannungswellenformsignal zum Ausstoßen eines großen Tröpfchens, das von der Leistungsverstärkungsschaltung 32a ausgegeben wird, an den piezoelektrischen Antrieb 4 anzulegen. Zu dieser Zeit bewirkt der piezoelektrische Antrieb 4 basierend auf dem angelegten Spannungswellenformsignal eine Verschiebung des Diaphragmas 3, um durch Verschieben des Diaphragmas 3 eine plötzliche Änderung (Vergrößern oder Verkleinern) des Volumens der Druckerzeugungskammer 2 zu bewirken. Dies bewirkt, dass in der mit Tinte gefüllten Druckerzeugungskammer 2 eine vorbestimmte Druckwelle erzeugt wird, um das Tintentröpfchen 1 einer großen Größe durch eine Druckwelle aus der Düse 7 auszustoßen. Wenn ein Grauskalensteuersignal basierend auf der von einer Antriebssteuerschaltung ausgegebenen Druckinformation einem Steuerende des zweiten Transfergatters eingegeben wird, wird das zweite Transfergatter EIN geschaltet, um das Spannungswellenformsignal zum Ausstoßen eines mittleren Tröpfchens, das von der Leistungsverstärkungsschaltung 32b ausgegeben wird, an den piezoelektrischen Antrieb 4 anzulegen. Zu dieser Zeit bewirkt der piezoelektrische Antrieb 4 basierend auf dem angelegten Spannungswellenformsignal eine Verschiebung des Diaphragmas 3, um das Volumen der Druckerzeugungskammer 2 durch die Verschiebung des Diaphragmas 3 zu ändern. Dies bewirkt, dass in der mit Tinte gefüllten Druckerzeugungskammer 2 eine vorbestimmte Druckwelle erzeugt wird, um dadurch das Tintentröpfchen 1 einer mittleren Größe durch die Druckwelle aus der Düse 7 auszustoßen. Wenn einem Steuerende des dritten Transfergatters ein Grauskalensteuersignal basierend auf der Druckinformation, die von einer Antriebssteuerschaltung ausgegeben wird, eingegeben wird, wird das dritte Transfergatter EIN geschaltet, um das Spannungswellenformsignal zum Ausstoßen eines kleinen Tröpfchens, das von der Leistungsverstärkungsschaltung 32c ausgegeben wird, an den piezoelektrischen Antrieb 4 anzulegen. Zu dieser Zeit bewirkt der piezoelektrische Antrieb 4 basierend auf dem angelegten Spannungswellenformsignal eine Verschiebung des Diaphragmas 3, um durch die Verschiebung des Diaphragmas 3 das Volumen der Druckerzeugungskammer 2 zu ändern. Dies bewirkt, dass in der mit Tinte gefüllten Druckerzeugungskammer 2 eine vorbestimmte Druckwelle erzeugt wird, um dadurch das Tintentröpfchen 1 einer kleinen Größe durch die Druckwelle aus der Düse 7 auszustoßen.
Das ausgestoßene Tintentröpfchen trifft auf ein Aufzeichnungsmedium wie z.B. Aufzeichnungspapier auf, um einen Aufzeichnungspunkt zu bilden. Solche Aufzeichnungspunkte werden auf Basis von Druckinformation wiederholt gebildet, um Zeichen oder Bilder in mehreren Grauskalen auf Aufzeichnungspapier aufzuzeichnen.
In dieser Ausführungsform beinhaltet die Tintenstrahl-Aufzeichnungsvorrichtung, die ausschließlich zur binären Aufzeichnung verwendet wird, die in 2 gezeigte Antriebsschaltung, während die Tintenstrahl-Aufzeichnungsvorrichtung, die auch eine Grauskalenaufzeichnung durchführt, die in 3 gezeigte Antriebsschaltung beinhaltet.
4 ist eine Schnittansicht, die die Form der Düse 7 in dieser Ausführungsform zeigt (die Tintenzuführöffnung 6 weist die gleiche Form auf). 5 und 6 zeigen die Graphen, die die Beziehung zwischen der Trägheit m_T und dem Schallwiderstand r_T des gesamten Durchlassdurchmessers in der Ausführungsform zeigen. 6 zeigt einen Graph basierend auf dem in 5 gezeigten, wobei die Achse der Ordinaten das Verhältnis der Obergrenze und der Untergrenze des Schallwiderstands r_T des gesamten Durchlassdurchmessers angibt.
In diesem Fall bedeutet die Trägheit m_T des gesamten Durchlasssystems die Gesamtsumme der Trägheiten der Düse 7, des Tintenzuführdurchlasses 6 und der Druckerzeugungskammer 2 in dem mit Tinte gefüllten Zustand. Auf ähnliche Weise bedeutet der Schallwiderstand des gesamten Durchlassdurchmessers die Gesamtsumme der Schallwiderstände der Düse 7, des Tintenzuführdurchlasses 6 und der Druckerzeugungskammer 2 in dem mit Tinte gefüllten Zustand.
Die Düse 7 in diesem Beispiel ist durch Stanzen einer Öffnung durch Präzisionspressen in einer rostfreien Platte mit einer Stärke von etwa 70 μm gebildet und als runde Öffnung mit einem Öffnungsdurchmesser von etwa 30 μm gebildet. Darüber hinaus ist der innere Teil der Düse 7 mit einem Verjüngungswinkel von etwa 15 Grad, einem Saumdurchmesser von etwa 67 μm und einer Länge von etwa 70 μm verjüngt, wie in 4 gezeigt. Die Tintenzuführöffnung 6 weist die gleiche Form wie die Düse 7 auf. In dieser Ausführungsform wird Tinte eingesetzt, die eingestellt ist, um eine Oberflächenspannung von 33 mN/m und eine Viskosität von 4,5 mPa·s bei 20°C aufzuweisen. Die Tinte entwickelt infolge einer Änderung der Umgebungstemperatur von 10 bis 35°C eine etwa 2,1-fache Änderung der Viskosität.
Wenn die Umgebungstemperatur Raumtemperatur (20°C) ist, ist die Kombination der Trägheit m_T und des Schallwiderstands r_T des gesamten Kopfdurchlassdurchmessers in dem Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf in diesem Beispiel so eingestellt, dass sie an der durch eine Darstellung O angegebenen Position liegt, und die Gesamtsumme r_T des Schallwiderstands bleibt immer zwischen dem oberen Grenzwert und dem unteren Grenzwert, selbst wenn sich die Umgebungstemperatur im Bereich von 10 bis 35°C ändert, wie in 5 gezeigt. Wie aus 5 verständlich ist, kann daher die Zielauffüllzeit (100 μs oder weniger) sichergestellt werden, und gleichzeitig kann das Überschwingen über den gesamten Temperaturbereich von 10 bis 35°C unterdrückt werden (10 μm oder weniger).
Es wird nun ein bestimmtes Verfahren beschrieben, nach dem die Formen der Düse 7 und der Tintenzuführöffnung 6 sowie die Viskosität der Tinte wie oben erwähnt bestimmt wurden.
5 zeigt die Ergebnisse der Bestimmung des zulässigen Bereichs des Schallwiderstands und der Trägheit m_T des gesamten Durchlassdurchmessers, die unter der Bedingung eines Tröpfchendurchmessers von 40 μm, einer Ausstoßfrequenz von 10 kHz, eines zulässigen Überschwingbetrags von 10 μm, einer Tintenoberflächenspannung von 33 mN/m und eines Düsenöffnungsdurchmessers von 30 μm durchgeführt wurde. Wie oben erwähnt, entwickelt die Tinte als Reaktion auf Änderungen der Umgebungstemperatur von 10 auf 35°C eine etwa 2,1-fache Viskositätsänderung. Entsprechend ändert sich der Schallwiderstand r_T des gesamten Durchlassdurchmesser infolge der Änderungen der Umgebungstemperatur von 10 auf 35°C 2,1 mal. Wenn der zulässige Bereich (das Verhältnis der Obergrenze zur Untergrenze) des Schallwiderstands r_T des gesamten Durchlassdurchmesser die 2,1-fache Änderung nicht aufnehmen kann, bedeutet das daher, dass die Vorrichtung Änderungen der Umgebungstemperatur nicht erfolgreich bewältigen kann. Wie aus 6 ersichtlich ist, neigt das Verhältnis der Obergrenze zur Untergrenze dazu, zu steigen, wenn die Trägheit m_T des gesamten Durchlassdurchmesser abnimmt. Wenn die Trägheit des gesamten Durchlassdurchmessers m_T<1,5 × 10⁸kg/m⁴ ist, beträgt das Verhältnis der Obergrenze zur Untergrenze 2,1 oder mehr. Daher ist verständlich, dass die Trägheit m_T des gesamten Durchlassdurchmessers auf 1,5 × 10⁸kg/m⁴ oder weniger eingestellt werden sollte, um eine 2,1-fache Änderung des Schallwiderstands r_T des gesamten Durchlassdurchmessers zu tolerieren.
Anschließend wird die Trägheit m_T des wie oben erwähnt bestimmten gesamten Durchlassdurchmessers auf die drei Komponenten verteilt, nämlich die Düse 7, die Tintenzuführöffnung 6 und die Druckerzeugungskammer 2. Zuerst ändert sich die Trägheit der Druckerzeugungskammer 2 gemäß der Form der Druckerzeugungskammer 2. Wenn versucht wird, den maximalen Tintentröpfchendurchmesser auf 38 bis 43 μm und die geeignete Periode einer Druckwelle auf etwa 10 bis etwa 20 μs einzustellen, beträgt die Trägheit der Druckerzeugungskammer 2 normalerweise etwa 0,4 bis etwa 0,6 × 10⁸ kg/m⁴. Im Fall dieser Ausführungsform ist die Druckerzeugungskammer 2 mit einer Breite von 320 μm, einer Höhe von 140 μm und einer Länge von 2,5 mm geformt. Daher ist die Trägheit der Druckerzeugungskammer 2 0,56 × 10⁸kg/m⁴. Um die Trägheit m_T des gesamten Durchlassdurchmessers auf 1,5 × 10⁸ kg/m⁴ einzustellen, ist es daher notwendig, die Summe der Trägheit der Düse 7 und der Trägheit der Tintenzuführöffnung 6 auf 0,94 × 10⁸kg/m⁴ einzustellen. Da die Düse 7 und die Tintenzuführöffnung 6 im Wesentlichen die gleiche Form aufweisen, sollte die Trägheit dieser beiden Komponenten im Wesentlichen gleich eingestellt sein. Daher wird der obere Grenzwert der Trägheiten dieser beiden Komponenten zu 0,47 × 10⁸kg/m⁴ bestimmt.
Um die Trägheiten der Düse 7 und der Tintenzuführöffnung 6 zu reduzieren, ist es wirksam, den Durchlassdurchmesser (die Durchlassquerschnittsfläche) zu erhöhen und die Durchlasslänge zu verringern. Wenn der Öffnungsdurchmesser der Düse 7 zunimmt, ist es jedoch wahrscheinlich, dass ungünstige Einflüsse wie z.B. ein Tropfen in Tröpfchengeschwindigkeit oder verschlechterte Stabilität im Ausstoß von winzigen Tröpfchen auftreten. Aus diesem Grund ist es nicht wünschenswert, den Öffnungsdurchmesser der Düse deutlich zu erhöhen. Darüber hinaus ist es wahrscheinlich, dass direkt nach dem Ausstoß mehr Luftblasen in den Kopf eingebracht werden, wenn die Düsenlänge klein ist. Daher ist es nicht wünschenswert, die Düsenlänge deutlich zu verringern. Andererseits wurde gefunden, dass sich der optimale Düsenöffnungsdurchmesser im Bereich von etwa 25 bis 32 μm und die optimalen Düsenlänge im Bereich von etwa 70 bis etwa 100 μm bewegt, um einen stabilen Ausstoß von Tintentröpfchen mit einem Tröpfchendurchmesser von etwa 38 bis etwa 43 μm sicherzustellen. Um die Trägheit der Düse 7 unter einer solchen Bedingung zu verringern, ist die Erhöhung des Verjüngungswinkels das wirksamste Mittel. In dieser Ausführungsform wurde die Trägheit der Düse 7 daher auf einen Zielwert, 0,44 × 10⁸kg/m⁴ gebracht, indem der Düsendurchmesser auf 30 μm, die Düsenlänge auf 70 μm und der Verjüngungswinkel auf 15 Grad eingestellt wurde.
Der optimale Wert des Verjüngungswinkels ändert sich gemäß dem Düsendurchmesser, der Düsenlänge, der Trägheit der Druckerzeugungskammer etc. Wie oben erwähnt, beträgt ein optimaler Verjüngungswinkel jedoch 10 Grad oder mehr, wenn man berücksichtigt, dass sich der optimale Düsenöffnungsdurchmesser im Bereich von etwa 25 bis 32 μm und die optimale Düsenlänge im Bereich von etwa 70 bis etwa 100 μm bewegt, und es ist schwierig, die Trägheit der Druckerzeugungskammer 2 deutlich zu erhöhen oder zu verringern. Ein Verjüngungswinkel, der 45 Grad übersteigt, ist jedoch vom Standpunkt des Einschlusses von Luftblasen und der Stärke der Düse nicht bevorzugt.
Wie oben erwähnt, ist in dieser Ausführungsform die Tintenzuführöffnung 6 so gebildet, dass sie die gleiche Form wie die der Düse 7 aufweist, um die gleiche Trägheit wie die der Düse 7 bereitzustellen.
Nach Vervollständigung des Einstellens der Trägheit m_T des gesamten Durchlassdurchmessers wird die Tintenviskosität eingestellt. Genauer wird eine Berechnung durchgeführt, um die Tintenviskosität bei der Umgebungstemperatur von 35°C zu erhalten, so dass der Schallwiderstand r_T auf den unteren Grenzwert (4,9 × 10¹²Ns/m⁵) des Schallwiderstands r_T bei der Trägheit m_T = 1,5 × 10⁸kg/m⁴ eingestellt wird. In dieser Ausführungsform bewirkt ein Einstellen der Tintenviskosität auf 3,0 mPa·s, dass der Schallwiderstand r_T im Wesentlichen mit dem unteren Grenzwert (4,9 × 10¹²Ns/m⁵) übereinstimmt, was zeigt, dass die Viskosität die optimale Tintenviskosität bei der höchsten Temperatur (35°C) ist. Daher ist die Tinten viskosität bei der niedrigsten Temperatur (10°C) 2,1 mal die Viskosität bei der höchsten Temperatur, das heißt 6,3 mPa·s, und der Schallwiderstand r_T zu dieser Zeit ist 10,1 × 10¹²Ns/m⁵. Dies ist der obere Grenzwert des Schallwiderstands r_T oder weniger, und es ist möglich, die Zielauffüllzeit selbst bei der niedrigsten Temperatur sicherzustellen. In diesem Fall ist die Tintenviskosität bei Raumtemperatur (20°C) im Wesentlichen 4,5 mPa·s (die Viskosität bei 20°C ist etwa 1,5 mal die Viskosität bei 10°C), und der Schallwiderstand r_T ist 7,2 × 10¹²Ns/m⁵.
Durch Bilden der Düse 7 und der Tintenzuführöffnung 6 in eine Verjüngungsform mit einem Verjüngungswinkel von 15 Grad und Einstellen der Tintenviskosität auf im Wesentlichen 4,5 mPa·s (20°C) ist es daher möglich, die Auffüllzeit sicherzustellen und gleichzeitig auch das Überschwingen über den gesamten Betriebstemperaturbereich der Vorrichtung zu begrenzen. Die tatsächlich ausgeführte Bewertung der Auffüllcharakteristika des Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfes gemäß dieser Ausführungsform hat gezeigt, dass die Auffüllzeit bei der niedrigsten Temperatur (10°C) 98 μs und der Überschwingbetrag 2,1 μm betrug, während die Auffüllzeit bei der höchsten Temperatur (35°C) 64 μm und der Überschwingbetrag 97 μm betrug. Mit anderen Worten war es möglich, zu bestätigen, dass das Überschwingen gesteuert werden kann (10 μm oder weniger), und gleichzeitig auch eine Zielantriebsfrequenz (10 kHz) über den gesamten Betriebstemperaturbereich der Vorrichtung zu erhalten.
Zweite Ausführungsform
7 ist eine Schnittansicht, die die Form einer Düse zeigt (eine Tintenzuführöffnung weist die gleiche Form auf), die eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
Die Konstruktion der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von der der vorstehenden ersten Ausführungsform deutlich darin, dass eine Düse 7a und eine Tintenzuführöffnung 6a der zweiten Ausführungsform mit geraden Abschnitten 71b und 61b in der Nähe ihrer Öffnungen zusätzlich zu verjüngten Abschnitten 71a und 61a vorgesehen sind, die allmählich auf eine Druckerzeugungskammer 2 hin zunehmen, wie in 7 gezeigt, wohingegen die gesamten inneren Abschnitte der Düse 7 und der Tintenzuführöffnung 6 (4) der ersten Ausführungsform verjüngt sind, und auch darin, dass der Verjüngungswinkel anstelle von 10 Grad oder mehr auf 15 bis 45 Grad eingestellt ist.
In der Düse 7a und der Tintenzuführöffnung 6a der zweiten Ausführungsform ist der Öffnungsdurchmesser auf 30 μm eingestellt, die Länge der geraden Abschnitte 71b und 61b ist auf 10 μm eingestellt, die Gesamtlänge ist auf 70 μm eingestellt, und der Verjüngungswinkel ist auf 25 Grad eingestellt, um die Trägheit jeder Komponente auf 0,44 × 10⁸kg/m⁴ einzustellen. Wenn die Trägheit (0,56 × 10⁸kg/m⁴) der Druckerzeugungskammer 2 addiert wird, ist die Trägheit m_T des gesamten Durchlassdurchmessers daher 1,43 × 10⁸kg/m⁴, was ein Wert des oberen Grenzwerts (1,5 × 10⁸kg/m⁴) oder weniger der aus 6 erhaltenen Trägheit m_T des gesamten Durchlassdurchmessers ist. Wie oben erwähnt, hängt der optimale Wert des Verjüngungswinkels von der Länge der geraden Abschnitte, dem Düsendurchmesser, der Düsenlänge etc. ab. Berücksichtigt man jedoch einen optimalen Düsenöffnungsdurchmesser, die Stärke einer Düse, die Vermeidung des Einschlusses von Luftblasen etc., beträgt der optimale Verjüngungswinkel für eine praktische Form 15 Grad oder mehr und 45 Grad oder weniger (die Länge der geraden Abschnitte beträgt etwa 10 bis etwa 20 μm).
Als nächstes ermöglicht das Einstellen der Tintenviskosität bei einer Umgebungstemperatur von 35°C auf 2,3 mPa·s es, den unteren Grenzwert (4,9 × 10¹²Ns/m⁵) des Schallwiderstands r_T bei der Trägheit m_T = 1,5 × 10⁸kg/m⁴ des gesamten Durchlassdurchmessers zu erreichen, und dies ist die optimale Tintenviskosität bei der höchsten Temperatur (35°C). Daher beträgt die Tintenviskosität bei der niedrigsten Temperatur (10°C) 4,8mPa·s. Darüber hinaus beträgt die Tintenviskosität bei Raumtemperatur (20°C) etwa 3,5 mPa·s, und der Schallwiderstand r_T beträgt 7,3 × 10¹²Ns/m⁵.
Daher kann die Zielauffüllzeit (100 μs) sichergestellt werden, und gleichzeitig kann das Überschwingen über den gesamten Betriebstemperaturbereich der Vorrichtung begrenzt werden (10 μm oder weniger), indem die Öffnungsdurchmesser der Düse 7a und der Tintenzuführöffnung 6a auf 30 μm, die Länge ihrer geraden Abschnitte 71b und 61b auf 10 μm, ihre Verjüngungswinkel auf 25 Grad und die Tintenviskosität auf im Wesentlichen 3,5 mPa·s (20°C) eingestellt werden.
Da die Düse 7a und die Tintenzuführöffnung 6a mit den geraden Abschnitten 71b und 61b versehen sind, können die Abweichungen des Öffnungsdurchmessers bei der Herstellung verringert werden, wodurch ermöglicht wird, dass die Abweichungen der Charakteristika der Düsen oder Köpfe beschränkt werden.
Die tatsächlich ausgeführte Bewertung der Auffüllcharakteristika des Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfes gemäß der zweiten Ausführungsform hat gezeigt, dass die Auffüllzeit bei der niedrigsten Temperatur (10°C) 96 μs und der Überschwingbetrag 2,5 μm betrug, während die Auffüllzeit bei der höchsten Temperatur (35°C) 62 μm und der Überschwingbetrag 9,8 μm betrug. Mit anderen Worten war es möglich, zu bestätigen, dass der stabile Betrieb bei der Zielantriebsfrequenz (10 kHz) ausgeführt werden kann, ohne über den gesamten Betriebstemperaturbereich der Vorrichtung ein übermäßiges Überschwingen zu bewirken.
Dritte Ausführungsform
8 ist eine Schnittansicht, die die Form einer Düse (eine Tintenzuführöffnung weist die gleiche Form auf) zeigt, die eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
Die dritte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Durchmesser der Düse 7b und der Tintenzuführöffnung 6b allmählich auf die Druckerzeugungskammer 2 hin zunehmen, die Längsabschnitte der Düse 7b und der Tintenzuführöffnung 6b eine runde Form mit im Wesentlichen gleichem Radius wie die Länge der Düse 7b und der Tintenzuführöffnung 6b aufweisen und die Länge der Düse 7b und der Tintenzuführöffnung 6b auf 50 bis 100 μm (vorzugsweise 70 bis 100 μm) eingestellt ist.
Die Düse 7b und die Tintenzuführöffnung 6b in diesem Beispiel sind durch Elektrogießen (Elektroformen) hergestellt.
In der Düse 7b und der Tintenzuführöffnung 6b dieses Beispiels ist der Öffnungsdurchmesser auf 30 μm und die Länge auf 70 μm eingestellt, und ihre Trägheiten betragen beide 0,44 × 10⁸kg/m⁴. Wenn die Trägheit (0,56 × 10⁸kg/m⁴) der Druckerzeugungskammer 2 addiert wird, beträgt die Trägheit m_T des gesamten Durchlasssystems daher 1,43 × 10⁸kg/m⁴, was ein Wert des oberen Grenzwertes der Trägheit m_T des gesamten Durchlasssystems oder weniger ist, wie aus 6 ersichtlich ist. Wenn der Öffnungsdurchmesser der Düse auf 25 bis 32μm eingestellt wird, muss die Düsenlänge auf 100 μm oder weniger eingestellt werden, um eine erforderliche Trägheit zu erhalten.
Als nächstes ermöglicht es das Einstellen der Tintenviskosität bei einer Umgebungstemperatur von 35°C auf 2,2 mPa·s, den unteren Grenzwert (4,9 × 10¹²Ns/m⁵) des Schallwiderstands r_T bei der Trägheit m_T = 1,5 × 10⁸kg/m⁴ des gesamten Durchlassdurchmessers zu erreichen, und dies ist die optimale Tintenviskosität bei der höchsten Temperatur (35°C). Daher beträgt die Tintenviskosität bei der niedrigsten Temperatur (10°C) 2,1 mal die Viskosität bei der höchsten Temperatur, d.h. 4,6 mPa·s. Der Schallwiderstand r_T zu dieser Zeit beträgt 10,0 × 10¹²Ns/m⁵. Dies ist der obere Grenzwert oder weniger des Schallwiderstands r_T, und die Zielauffüllzeit kann selbst bei der niedrigsten Temperatur sichergestellt werden. In diesem Fall beträgt die Tintenviskosität bei Raumtemperatur (20°C) etwa 3,3 mPa·s, und der Schallwiderstand r_T zu dieser Zeit beträgt 7,2 × 10⁸Ns/m⁵.
Daher kann die Zielauffüllzeit (100 μs) sichergestellt werden, und das Überschwingen kann gleichzeitig über den gesamten Betriebstemperaturbereich der Vorrichtung begrenzt werden (10 μm oder weniger), indem die Düse 7b und die Tintenzuführöffnung 6b so gebildet werden, dass ihr Öffnungdurchmesser 30 μm beträgt und sie mit Radien und einer Länge von 70 μm geformt sind, und indem die Tintenviskosität auf etwa 3,3 mPa·s (20°C) eingestellt wird.
Die tatsächlich ausgeführte Bewertung der Auffüllcharakteristika des Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfes gemäß der dritten Ausführungsform hat gezeigt, dass die Auffüllzeit bei der niedrigsten Temperatur (10°C) 98 μs und der Überschwingbetrag 2,0 μm betrug, während die Auffüllzeit bei der höchsten Temperatur (35°C) 65 μm und der Überschwingbetrag 9,6 μm betrug. Mit anderen Worten war es möglich, zu bestätigen, dass der stabile Betrieb bei der Zielantriebsfrequenz (10 kHz) ausgeführt werden kann, ohne über den gesamten Betriebstemperaturbereich der Vorrichtung ein übermäßiges Überschwingen zu bewirken.
Damit wurden die Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung detailliert im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Besondere Konstruktionen sind jedoch nicht auf die Ausführungsformen beschränkt, und Modifikationen oder dergleichen in der Konstruktion innerhalb des Umfangs des Sinns der vorliegenden Erfindung sind in der vorliegenden Erfindung enthalten. Zum Beispiel sind die Formen der Düse und der Tintenzuführöffnung nicht auf eine verjüngte Form oder eine Radiusform begrenzt. Auf ähnliche Weise ist die Form der Öffnung nicht auf eine runde Form beschränkt, und sie kann wahlweise eine rechtwinklige, dreieckige oder andere Form aufweisen. Der Tintenzuführdurchlass zum Bewegen der in einer üblichen Tintenzuführkammer vorrätig gehaltenen Tinte an eine Druckerzeugungskammer ist nicht auf die in die Platte gebohrte Tintenzuführöffnung beschränkt und kann wahlweise ein zylindrischer oder rohrförmiger Tintenzuführdurchlass sein. Darüber hinaus ist die Positionsbeziehung zwischen der Düse, der Druckerzeugungskammer und der Tintenzuführöffnung nicht auf die in dieser Ausführungsform gezeigte Struktur beschränkt. Es ist zum Beispiel natürlich möglich, die Düse am Mittelteil oder dergleichen der Druckerzeugungskammer anzuordnen.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen wurden die Düse 7 und die Tintenzuführöffnung 6, die die gleiche Form aufweisen, verwendet, aber sie müssen nicht die gleiche Form aufweisen, und die Tintenzuführöffnung kann eine beliebige Form aufweisen. Die Tintenzuführöffnung ist in ihrem Durchmesser oder ihrer Länge nur wenig beschränkt, so dass sie in ihrer Form verglichen mit der Düse einen höheren Freiheitsgrad aufweist. Wenn zum Beispiel die Tintenzuführöffnung eine gerade Form (ein Verjüngungswinkel von null Grad) mit einem Durchmesser von 45 μm und eine Länge von 70 μm aufweist, ist es trotzdem möglich, die Trägheit von 0,44 × 10⁸kg/m⁴ zu erreichen, was in der oben beschriebenen ersten Ausführungsform das Ziel ist.
Obwohl die Trägheit der Tintenzuführöffnung in den vorstehenden Ausführungsformen auf den gleichen Wert wie die der Düse eingestellt wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Vom Standpunkt der Ausstoßeffizienz aus wird die Trägheit der Düse 7 vorzugsweise so eingestellt, dass sie kleiner als die Trägheit der Tintenzuführöffnung 6 ist, solange die Zielträgheit in dem gesamten Durchlassdurchmesser erreicht wird. Das liegt daran, dass das Ausmaß der Energie der Druckwelle, die zur Tintenzuführöffnung 6 austritt, zunimmt, wenn die Trägheit der Düse 7 größer als die der Tintenzuführöffnung 6 ist, was zu einer geringeren Ausstoßeffizienz führt. Zur Einfachheit der Herstellung können die Trägheiten beider jedoch auf im Wesentlichen gleiche Werte eingestellt werden, wie in den vorstehenden Ausführungsformen beschrieben.
In den vorstehenden Ausführungsformen wurden Fälle beschrieben, in denen die vorliegende Erfindung auf den Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf vom Caesartyp angewendet wurde. Die Anwendung der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht auf den Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf vom Caesartyp beschränkt, solange es sich um einen Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf handelt, der eingerichtet ist, um Tintentröpfchen aus einer Düse auszustoßen, indem durch ein Druckerzeugungsmittel eine Druckänderung in einer Druckerzeugungskammer bewirkt wird.
Auf ähnliche Weise kann zusätzlich zu einem piezoelektrischen Antrieb eine andere Art eines elektromechanischen Umwandlungselements, ein magnetostriktives Element oder ein elektrothermisches Umwandlungselement als Druckerzeugungsmittel verwendet werden.
Industrielle Anwendbarkeit:
Wie oben erläutert, ermöglicht die Konstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung es, eine Zielauffüllzeit (etwa 100 μm) immer sicherzustellen und das Überschwingen auf etwa 10 μm oder weniger zu steuern, selbst wenn sich die Umgebungstemperatur in einem Bereich von etwa 10 bis etwa 35°C ändert, wenn eine Vorrichtung in Betrieb ist. Daher können hohe Genauigkeit und Stabilität für Tintentröpfchendurchmesser sichergestellt werden, selbst wenn die Vorrichtung bei hoher Geschwindigkeit betrieben wird. Dies ermöglicht, dass eine Tintenstrahlgrauskalenaufzeichnung bei hoher Geschwindigkeit mit hoher Bildqualität (durch Tröpfchendurchmessermodulation) erreicht wird.

Claims

Ein Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf, umfassend eine Druckerzeugungskammer (2), die mit Tinte gefüllt werden muss, Druckerzeugungsmittel (4) zum Erzeugen eines Druckes in der Druckerzeugungskammer (2), eine Tintenzuführkammer (5) zum Zuführen der Tinte an die Druckerzeugungskammer (2), einen Tintenzuführdurchlass (6) zum Herstellen einer Verbindung zwischen der Tintenzuführkammer (5) und der Druckerzeugungskammer (2), und eine Düse (7), die in Verbindung mit der Druckerzeugungskammer (2) ist, wobei das Druckerzeugungsmittel (4) eine Druckänderung bewirkt, die in der Druckerzeugungskammer (2) stattfindet, um ein Tintentröpfchen aus der Düse auszustoßen; dadurch gekennzeichnet, dass die Konfigurationen der Düse (7), des Tintenzuführdurchlasses (6) und der Druckerzeugungskammer (2) derart bestimmt sind, dass bei einer Temperatur von etwa 20° C eine Gesamtsumme m_T der Trägheit und eine Gesamtsumme r_T des Schallwiderstands der Düse (7), des Tintenzuführdurchlasses (6) und der Druckerzeugungskammer (2) in einem mit Tinte gefüllten Zustand die Ausdrücke (1) bzw. (2) erfüllen: 0 < mT < 1.9× 108 [kg/m4] (1) 4.0 × 1012 < rT < 11.0 × 1012 [Ns/m5] (2).
Ein Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf gemäß Anspruch 1, wobei die Düse einen sich verjüngenden Abschnitt aufweist, dessen Durchmesser sich allmählich in Richtung der Druckerzeugungskammer vergrößert, und der Verjüngungswinkel des verjüngenden Abschnitts 10 bis 45° beträgt.
Ein Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf gemäß Anspruch 1, wobei die Düse aus einem geraden Abschnitt, der in der Nähe einer Öffnung vorgesehen ist, und einem sich verjüngenden Abschnitt, der sich in Richtung der Druckerzeugungskammer allmählich vergrößert, gebildet ist und der sich verjüngende Winkel des sich verjüngenden Abschnittes 15 bis 45° beträgt.
Ein Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf gemäß Anspruch 1, wobei der Durchmesser der Düse in Richtung der Druckerzeugungskammer allmählich zunimmt und der Längsschnitt der Düse in eine Krümmung geformt ist, die einen Radius aufweist, der im Wesentlichen gleich zur Länge der Düse ist, und die Länge der Düse 50 bis 100 μm beträgt.
Ein Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Öffnungsdurchmesser der Düse 25 bis 32 μm beträgt.
Ein Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf gemäß Anspruch 1, wobei der Tintenzuführdurchlass eine Tintenzuführungsöffnung zum Herstellen einer Verbindung zwischen der Tintenzuführungskammer und der Druckerzeugungskammer ist.
Ein Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf gemäß Anspruch 1, wobei der maximale Tröpfchendurchmesser eines Tintentröpfchens auf 38 bis 43 μm festgesetzt ist.
Ein Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf gemäß Anspruch 1, wobei der Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf Tinte mit einer Oberflächenspannung von 25 bis 35 mN/m verwendet.
Ein Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf wie in Anspruch 1 beschrieben, wobei der Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf Tinte verwendet, deren Viskosität derart festgesetzt ist, dass die Gesamtsumme r_T des Schallwiderstands (der Wert bei einer Temperatur von im Wesentlichen 20° C) der Düse, des Tintenzuführdurchlasses und der Druckerzeugungskammer in einem mit Tinte gefüllten Zustand den Ausdruck (3) erfüllt: 4.0 × 1012 < rT < 11.0 × 1012 [Ns/m5] (3).
Ein Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf gemäß Anspruch 1, umfassend eine beschichtete Platte, die durch Verbinden einer Düsenplatte gebildet ist, wobei die Düse gebohrt wurde, eine Poolplatte, in der ein Abstandsabschnitt der Tintenzuführkammer gebildet ist, eine Zuführöffnungsplatte, in der der Tintenzuführdurchlass gebohrt wurde, eine Druckerzeugungskammerplatte, in der ein Abstandsabschnitt der Druckerzeugungskammer gebildet wurde und eine Vibrationsplatte, die einen Teil des Druck erzeugungsmittels bildet, und einen piezoelektrischen Antrieb, der als anderes Teil des Druckerzeugungsmittels dient, das mit der beschichteten Platte verbunden ist.
Eine Tintenstrahlaufzeichnungsvorrichtung umfassend den Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.