EP0372097A1 - Anordnung zum Erzeugen von Tintentröpfchen unterschiedlicher Grösse in einer Tintendruckeinrichtung - Google Patents

Anordnung zum Erzeugen von Tintentröpfchen unterschiedlicher Grösse in einer Tintendruckeinrichtung Download PDF

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EP0372097A1
EP0372097A1 EP88120007A EP88120007A EP0372097A1 EP 0372097 A1 EP0372097 A1 EP 0372097A1 EP 88120007 A EP88120007 A EP 88120007A EP 88120007 A EP88120007 A EP 88120007A EP 0372097 A1 EP0372097 A1 EP 0372097A1
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EP
European Patent Office
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ink
heat generating
generating sections
arrangement according
heat
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP88120007A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Kappel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Publication of EP0372097A1 publication Critical patent/EP0372097A1/de
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    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/21—Ink jet for multi-colour printing
    • B41J2/2121—Ink jet for multi-colour printing characterised by dot size, e.g. combinations of printed dots of different diameter
    • B41J2/2128—Ink jet for multi-colour printing characterised by dot size, e.g. combinations of printed dots of different diameter by means of energy modulation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
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    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/135—Nozzles
    • B41J2/14—Structure thereof only for on-demand ink jet heads
    • B41J2/14016—Structure of bubble jet print heads
    • B41J2/14088—Structure of heating means
    • B41J2/14112—Resistive element
    • B41J2/1412—Shape
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    • B41J2202/00—Embodiments of or processes related to ink-jet or thermal heads
    • B41J2202/01—Embodiments of or processes related to ink-jet heads
    • B41J2202/11—Embodiments of or processes related to ink-jet heads characterised by specific geometrical characteristics

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for producing ink droplets of different sizes in an ink printing device according to the preamble of patent claim 1.
  • Known ink print heads that work on the principle of thermal conversion (bubble jet) have a matrix of individual nozzles from which defined individual droplets are ejected under the action of an electronic control. Each nozzle is connected to an ink channel, in which pressure waves are generated in the ink liquid by means of an actuator. The process of building pressure in the ink liquid is based on the creation of small microbubbles.
  • An electrothermal transducer element in the form of a thin-film resistor is located under each ink channel at a certain distance from the outlet nozzle as an actuator. By briefly energizing one of these transducer elements, the ink liquid immediately above is heated in a thin layer to high excess temperatures.
  • a vapor bubble with high internal pressure is formed above the heating element, the expansion of which causes the ink liquid located in the corresponding ink channel to be expelled through the nozzle.
  • fluid mechanical influences which are given by the channel and nozzle geometry, there is also a proportionality between the ink droplet volume and the surface of the heating element, which also determines the size of the corresponding vapor bubble.
  • ink printing devices are to be used to produce fonts of different font qualities, for example fonts in a so-called draft quality (DQ) and in a so-called beautiful font (Near Letter Quality, NLQ), it is advantageous to add ink droplets of different sizes and thus different droplet volumes produce.
  • such ink printing devices are used as output devices for graphics, which requires that gray or color levels must be able to be represented.
  • the generation of ink droplets of different sizes in color printing makes it possible to avoid oversaturation of the printing paper with solvents.
  • EP-A1-0203534 To produce ink droplets of different sizes, it is known from EP-A1-0203534 to control them with an adjustable number of control pulses in an ink writing device with piezoelectric transducer elements which are each assigned to the ink channels of the writing head.
  • the repetition frequency of the drive pulses is matched to the resonance frequency of the ink channel and the drive pulses follow one another in time in such a way that an ejection of a small amount of ink from the outlet opening of the ink channel caused by subsequent drive pulses always occurs before the ink droplet caused by the first drive pulse is detached from the outlet opening occurs.
  • WO 87/03363 describes an ink printing device based on the thermal converter principle, with which eight different shades of gray or semitones can be produced.
  • three droplet generators are provided which, due to the different area of the thermal transducers, eject different droplet volumes, which are binary-weighted.
  • the eight possible grayscale or halftones are generated by sequentially spraying droplets from the differently sized nozzle openings onto one and the same pixel.
  • a droplet generator for emitting colorless ink liquid is provided, which is applied directly to an ink droplet ejected from the other nozzles, whereby soft contours of the colored ink droplets are achieved.
  • the object of the invention is to provide measures for controlling the ink droplet volumes for an ink printing device of the type mentioned at the outset, which produce halftone images or gray or color levels from individual dots of different sizes in a simple manner and without reducing the printing speed and the resolution capacity.
  • thermal transducer geometries with an inhomogeneous heat generation rate are used according to the invention, the heat generation sections contributing to the vapor bubble formation, for example, both via the amplitude and over the duration of the control pulses the effective area of the thermal converter can be controlled.
  • the thermal transducers are divided into several bubble generation sections, they can be used on the one hand to generate droplet volumes that differ according to the number of these sections, and on the other hand, in addition to the generation of grayscale levels, it is also possible in the so-called draft mode to achieve a degree of blackening that can be achieved in Schönschreib Modus (NLQ) to achieve and thus to achieve optimal color coverage without oversaturation of the recording medium with solvents in the production of color prints by reducing the droplet mass.
  • NLQ Schönschreib Modus
  • the variation of the thermal transducer geometry according to the invention for the controlled generation of different ink droplet volumes is characterized by a particularly simple technological feasibility, since additional electrical control lines on the thin film substrate can be dispensed with.
  • FIG. 1 shows top views of differently geometrically designed thermal converters 1, each of which has power supply lines 2, 3 in the form of Conductor tracks can be contacted.
  • Thermal converter 1 and conductor tracks 2, 3 can be produced, for example, by vacuum deposition of suitable electrically conductive alloys (for example hafnium diboride HfB2 for the thermal converter) or metals (for example aluminum Al for the conductor tracks) on a base oxide with subsequent photo-technical structuring.
  • suitable electrically conductive alloys for example hafnium diboride HfB2 for the thermal converter
  • metals for example aluminum Al for the conductor tracks
  • FIG. 1 a shows a conventional, rectangular thermal converter 1, which is primarily suitable for producing ink droplets of one size.
  • a thermal transducer is used to generate ink droplets of continuous size, the geometric configuration of which is explained with reference to FIG. 1b.
  • This thermal converter has a length 1 and, starting from a right power supply 2, runs conically to a left power supply 3, so that the area of the thermal converter decreases steadily in the direction of the left power supply 2.
  • the temperature T V necessary for evaporation is first reached in the vicinity of the left power supply 3 with a constant pulse duration and a relatively small amplitude of the control voltage. Small-volume ink droplets are emitted.
  • the effective area for bubble formation above the thermal converter increases in the direction of the right power supply 2, ie ink droplets with a larger volume are ejected.
  • a thermal converter of conical geometry enables the ink droplet volumes to be continuously adjusted over the amplitude and / or pulse duration of the drive voltage within certain limits given by the channel and nozzle geometry.
  • thermal transducers according to FIGS. 1c to 1e are suitable for producing two discrete, different droplet volumes.
  • the thermal converters are divided into areas of different widths with the same layer thickness (FIGS. 1c, 1d) or into areas of different thermal or electrical properties (FIG. 1e).
  • the thermal converter according to FIG. 1c has a stepped contour within its longitudinal extent, so that the surface of this thermal converter is composed of two rectangles of different widths.
  • the rectangle adjacent to the left power supply 3 has a width b 1
  • the rectangle adjacent to the right power supply 2 has a width b 2
  • the width b 1 being smaller than the width b 2.
  • Such a division of the surface of the thermal converter with the same layer thickness creates two different heat generating sections W 1, W 2.
  • the thermal converter is shown in the form of a simple rectangle which has an insulation gap 4 for generating two different droplet volumes.
  • the length of the insulation gap 4 within the thermal converter defines the two heat generating sections W1, W2 with the effective width 2 ⁇ b3 in the heat generating section W1 and the width b2 in the heat generating section W2.
  • the thermal converter consists of two heat generating sections W1, W2 different layer thickness (d i ) and / or layer materials, ie materials with different electrical (specific resistance ⁇ i ) and / or thermal properties (thermal conductivity a i ).
  • thermo converters shown with reference to FIGS. 1b to 1e have in common that the absolute droplet sizes are determined by the individual areas of the heat generating sections W 1, W 2.
  • a small heated area causes a small droplet to be ejected, the entire area is used to generate large droplets, while the crosstalk, i.e. the quality of the separation of small and large droplets is given by the ratio of the heat generation rates or the surface temperatures of the individual heat generation sections W 1, W 2.
  • thermal converter The operation of the thermal converter is shown in more detail in Figure 2 based on the time-dependent temperatures of the heat generating sections W1, W2 with various control pulses.
  • the amplitude and pulse duration ⁇ t1 of the control voltage for the thermal converter according to Figure 1 are chosen so that the temperature T V necessary for the onset of bubble formation only from the section W1 of the thermal converter, which, for example, has the higher heat generation rate due to its smaller width (Fig. 1c) is exceeded.
  • the temperature T of the section W 1 rises more strongly until the end of the heating pulse at the time t 1, since the heat flow between the section W 1 and the ink liquid is greatly reduced by the formation of bubbles.
  • the heat generating section W 2 In order to produce larger ink droplets, the heat generating section W 2 must also exceed the temperature T V necessary to initiate the evaporation. This can be achieved in a simple manner by increasing the amplitude of the control voltage and / or by extending the heating pulse duration.
  • a drive voltage is selected to generate a larger ink droplet, the pulse duration of which is identical and the amplitude of which is greater than the amplitude of the drive voltage in the previous example.
  • the evaporation Temperature T V is therefore achieved by both heat generating sections W 1, W 2, so that the entire surface of the thermal converter contributes to the formation of droplets.
  • the same effect is achieved if the amplitude of the control voltage is not increased, but the heating pulse duration compared to the heating pulse duration according to Figure 2c is extended ( ⁇ t2> ⁇ t1).
  • the bubble formation in the ink liquid which begins first in the heat generation section W 1 may initiate evaporation in the heat generation section W 2, it is advantageous to use thermal converter geometries in order to improve the crosstalk behavior, in which the bubble generation sections through colder areas, i.e. Areas with lower heat generation rates or lower thermal conductivities than the bubble generation sections are separated.
  • FIG. 3 shows exemplary embodiments of thermal converters whose heat generating sections W 1, W 2 are thermally decoupled from one another by separating areas T 1, T 2.
  • the thermal separation of the two heat generating sections W1, W2 can be achieved by a locally widened resistance geometry.
  • the two heat generating sections W1, W2 with their widths b1 and b2 do not form a boundary layer at which they meet directly (see FIG. 1c), but are widened with the aid of a heat generating section W1, W2 rectangular web 5, which has a width b3, thermally decoupled (b3> b1, b2).
  • the thermal separation of the heat generating sections W1, W2 is done by inserting a low-resistance material between the two heat generating sections W1 and W2.
  • the thermal converter is divided into two sections of rectangular shape, which have the same thermal and electrical properties (specific resistance ⁇ 1, layer thickness d1 and thermal conductivity a1), but are of different widths (b1> b2).
  • the separation area T1 is characterized by a material with a specific resistance ⁇ 2 ⁇ 1.
  • the same effect, namely a thermal separation between the heat generating sections W1, W2 can also be achieved in that the material in the separation area T1 has a greater than the heat generating sections W1, W2 layer thickness d2> d1 or a lower than the heat generating sections W1, W2 lower thermal conductivity a2 ⁇ has a1.
  • a between the individual heat generating sections W1, W2 with their different widths b1, b2 inserted separation area T2 has a length ⁇ 1 and can be realized, for example, by a material from which the power supply lines 2,3 are made (eg aluminum Al).
  • a material from which the power supply lines 2,3 are made eg aluminum Al.
  • FIG. 4 shows that the thermal transducers can also be used to produce more than two different ink droplet volumes by appropriately dividing them into bubble generation sections.
  • 4a and 4b show thermal transducer geometries which are suitable for ejecting three ink droplets of different sizes.
  • the individual heat generating sections W1, W2 and W3 are either generated analogously to the arrangement according to FIG. 1c by different widths b1, b2 and b3 with the same layer thickness d1 alone (b1 ⁇ b2 ⁇ b3) or in addition to the thermal decoupling serving locally widened resistance geometries according to FIG. 3a (b1 ⁇ b2 ⁇ b3, b4 ⁇ b5).
  • the thermal converter is subdivided into a large number of heat generation sections, all of the above-mentioned measures for improving the droplet separation and combinations thereof can be used.
  • the thermal transducers of conventional geometry with a constant layer thickness and layer width are covered and structured with a cover layer of low thermal conductivity (for example silicon dioxide SiO2) in such a way that regions of different cover layer thicknesses arise above the thermal converter or the thermal converters are partially with other poorly heat-conducting ones Layers covered.
  • the areas created in this way also correspond in their function to the heat generation sections already described and can be used in the same way for producing different droplet sizes.

Landscapes

  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)

Abstract

Die Erzeugung von Tintentröpfchen unterschiedlicher Größe in einer nach dem Thermowandlerprinzip arbeitenden Tintendruckeinrichtung wird durch geeignete Geometrie der Thermowandler (1) in Zusammenwirken mit auf diese Thermowandlergeometrie abgestimmten Ansteuerungsimpulsen erreicht. Die Thermowandler (1) sind dabei in mehrere Wärmeerzeugungsabschnitte (W1...W3) unterschiedlicher Breite (bi), unterschiedlicher Schichtdicke (di) oder Schichtmaterialien (ρi, ai) aufgeteilt. Zur Verbesserung des Übersprechverhaltens sind die Wärmeerzeugungsabschnitte (W1...W2) durch Bereiche mit einer gegenüber diesen Wärmeerzeugungsabschnitten (W1...W3) niedrigeren Wärmeerzeugungsraten oder kleinerer Temperaturleitfähigkeit (ai) voneinander getrennt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Erzeugen von Tintentröpfchen unterschiedlicher Größe in einer Tintendruck­einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Bekannte Tintendruckköpfe, die nach dem Thermowandlerprinzip (Bubble-Jet) arbeiten, weisen eine Matrix von Einzeldüsen auf, aus denen unter Einwirkung einer elektronischen Steuerung definiert Einzeltröpfchen ausgestoßen werden. Jede Düse ist an einen Tintenkanal angeschlossen, in welchem mittels eines Aktors Druckwellen in der Tintenflüssigkeit erzeugt werden. Das Verfahren zum Druckaufbau in der Tinten­flüssigkeit beruht auf der Erzeugung kleiner Mikrobläschen. Unter jedem Tintenkanal befindet sich in einem bestimmten Abstand zur Austrittsdüse als Aktor ein elektrothermisches Wandlerelement (Heizelement) in Form eines Dünnfilmwider­standes. Durch kurzzeitiges Bestromen eines dieser Wandler­elemente wird die unmittelbar darüberliegende Tinten­flüssigkeit in einer dünnen Schicht auf hohe Übertempera­turen erhitzt. Im Laufe der nachfolgenden Verdampfung der erhitzten Tintenflüssigkeit entsteht über dem Heizelement eine Dampfblase (Bubble) mit hohem Innendruck, deren Expansion einen Ausstoß der in dem entsprechenden Tintenkanal befind­lichen Tintenflüssigkeit durch die Düse bewirkt. Dabei be­steht neben fluidmechanischen Einflüssen, die durch die Kanal- und Düsengeometrie gegeben sind, auch eine Proportionalität zwischen dem Tintentröpfchenvolumen und der Oberfläche des Heizelementes, welche die Größe der ent­sprechenden Dampfblase mitbestimmt.
  • Sollen mit solchen Tintendruckeinrichtungen Schriften ver­schiedener Schriftqualitäten, beispielsweise Schriften in einer sog. Entwurfsqualität (Draft Quality, DQ) und in einer sog. Schönschrift (Near Letter Quality, NLQ) erzeugt werden, so ist es vorteilhaft, Tintentröpfchen unterschiedlicher Größen und damit unterschiedlicher Tröpfchenvolumina zu er­zeugen. Damit ist einerseits eine verbesserte Schriftquali­tät (Schwärzungsgrad) bei hoher Druckgeschwindigkeit und andererseits eine verminderte Auflösung durch größere Tintentröpfchen, z.B. im "Draft"-Mode möglich. Außerdem werden solche Tintendruckeinrichtungen als Ausgabegeräte für Grafik eingesetzt, was erfordert, daß sog. Grau- oder Farb­stufen darstellbar sein müssen. Insbesondere besteht durch die Erzeugung von Tintentröpfchen unterschiedlicher Größe bei Farbdruck die Möglichkeit, eine Übersättigung des Druckpapiers mit Lösungsmitteln zu vermeiden.
  • Zur Erzeugung von Tintentröpfchen unterschiedlicher Größe ist es aus der EP-A1-0203534 bekannt, bei einer Tinten­schreibeinrichtung mit piezoelektrischen Wandlerelementen, die jeweils den Tintenkanälen des Schreibkopfes zugeordnet sind, diese mit einer einstellbaren Anzahl von Ansteuerim­pulsen anzusteuern. Die Folgefrequenz der Ansteuerpulse ist dabei auf die Resonanzfrequenz des Tintenkanals abgestimmt und die Ansteuerimpulse folgen zeitlich derart aufeinander, daß ein durch nachfolgende Ansteuerimpulse bewirkter Aus­stoß einer kleinen Tintenmenge aus der Austrittsöffnung des Tintenkanals jeweils noch vor der Ablösung des durch den ersten Ansteuerimpuls bewirkten Tintentröpfchens von der Austrittsöffnung auftritt.
  • Aus der WO 87/03363 ist eine Tintendruckeinrichtung nach dem Thermowandlerprinzip beschrieben, mit der acht ver­schiedene Graustufen bzw. Halbtöne erzeugt werden können.
  • Hierzu sind drei Tröpfchenerzeuger vorgesehen, die auf­grund unterschiedlicher Fläche der Thermowandler unter­schiedliche Tröpfchenvolumina ausstoßen, die binär ge­wichtet sind. Durch sequentielles Abspritzen von Tröpfchen aus den verschieden großen Düsenöffnungen auf ein und des­selben Pixels werden die acht möglichen Graustufen oder Halbtöne erzeugt. Zusätzlich ist noch ein Tröpfchenerzeuger zum Emittieren von farbloser Tintenflüssigkeit vorgesehen, die unmittelbar auf ein von den anderen Düsen ausgestoßenen Tintentröpfchen aufgebracht wird, wodurch weiche Konturen der farbigen Tintentröpfchen erreicht werden.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, für eine Tintendruckeinrichtung der eingangs genannten Art Maßnahmen zur Steuerung der Tintentröpfchenvolumina anzugeben, die auf einfache Weise und ohne Verringerung der Druckgeschwindigkeit und des Auf­lösungsvermögens Halbtonbilder bzw. Grau- oder Farbstufen aus Einzelpunkten unterschiedlicher Größe erzeugt.
  • Diese Aufgabe wird gemäß den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Durch geeignete Geometrie der Thermowandler in Verbindung mit auf diese Thermowandlergeometrie abgestimmten Ansteuer­ungsimpulsen können gezielt Tintentröpfchen unterschiedli­cher Volumina aus den Austrittsdüsen ausgestoßen werden. Da die Oberfläche der Thermowandler die Größe der entstehenden Dampfblase mitbestimmt und die Verdampfung der Tinten­flüssigkeit erst oberhalb einer kritischen Verdampfungs­temperatur schlagartig einsetzt, werden erfindungsgemäß Thermowandlergeometrien mit inhomogener Wärmeerzeugungsrate verwendet, wobei sowohl über die Amplitude als auch über die Dauer der Ansteuerimpulse die zur Dampfblasenbildung beitra­genden Wärmeerzeugungsabschnitte z.B. die wirksame Fläche der Thermowandler gesteuert werden kann.
  • Werden die Thermowandler in mehrere Blasenerzeugungsab­schnitte unterteilt, so können sie einerseits zur Erzeugung von entsprechend der Anzahl dieser Abschnitte verschiedenen Tröpfchenvolumina verwendet werden und andererseits ist es neben der Erzeugung von Graustufen möglich, auch im sog. Draft-Mode einen bei Schönschreibmodus (NLQ) erreichbaren Schwärzungsgrad zu erzielen und damit bei der Anfertigung von Farbdrucken durch Verringern der Tröpfchenmasse eine optimale Farbdeckung ohne Übersättigung des Aufzeichnungs­trägers mit Lösungsmitteln zu erreichen.
  • Die erfindungsgemäße Variation der Thermowandlergeometrie zur gesteuerten Erzeugung unterschiedlicher Tintentröpfchen­volumina zeichnet sich dabei durch eine besonders einfache technologische Realisierbarkeit aus, da auf zusätzliche elektrische Steuerleitungen auf dem Dünnfilmsubstrat ver­zichtet werden kann.
  • Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Tintendruckein­richtung gemäß der Erfindung anhand von Zeichnungen beschrie­ben. Dort zeigen
    • Figur 1 Beispiele von Thermowandlern zur Erzeugung von Tintentröpfchen unterschiedlicher Volumina,
    • Figur 2 Temperaturverläufe von Wärmeerzeugungsabschnitten der Thermowandler nach Figur 1 bei verschiedenen elektrischen Ansteuerimpulsen,
    • Figur 3 weitere Beispiele von Thermowandlern zur Erzeugung von zwei verschieden großen Tintentröpfchen und
    • Figur 4 Beispiele für eine Heizelementgeometrie zur Erzeu­gung von drei verschiedenen Tröpfchengrößen.
  • In der Figur 1 sind Draufsichten von verschieden geometrisch gestalteten Thermowandlern 1 dargestellt, welche jeweils an ihren Stirnseiten mit Stromzuführungen 2 ,3 in Form von Leiterbahnen kontaktiert werden. Thermowandler 1 und Leiter­bahnen 2,3 können dabei beispielsweise durch Vakuumabschei­dung geeigneter elektrisch leitfähiger Legierungen (z.B. Hafniumdiborid HfB₂ für die Thermowandler) oder Metalle (z.B. Aluminium Al für die Leiterbahnen) auf ein Grundoxyd mit anschließender fototechnischer Strukturierung erzeugt werden.
  • Die Figur 1a zeigt einen herkömmlichen, rechteckförmigen Thermowandler 1, der primär zur Erzeugung von Tintentröpf­chen einer Größe geeignet ist. Durch die Rechteckform des Thermowandlers ergibt sich eine homogene Wärmeerzeugungs­rate (Wärmeerzeugungsrate = thermische Leistung/Fläche =
    Figure imgb0001
     Eine Modulation der Tintentröpfchenmasse ist bei einer solchen homogenen Wärmeerzeugungsrate durch Verändern der Amplitude und/oder der Impulsdauer der Ansteuerspannung nur in einem sehr geringen Maße möglich, da nach dem Einsetzen der Verdampfung der gesamte Thermowandler von einer Dampf­schicht bedeckt und damit von dem Thermowandler thermisch entkoppelt ist.
  • Zur Erzeugung von Tintentröpfchen kontinuierlicher Größe dient ein Thermowandler, dessen geometrische Ausgestaltung anhand von Figur 1b erläutert wird. Dieser Thermowandler weist eine Länge 1 auf und verläuft, ausgehend von einer rechten Stromzuführung 2 konisch zu einer linken Stromzu­führung 3, so daß die Fläche des Thermowandlers in Richtung zur linken Stromzuführung 2 stetig abnimmt. Die Breite des Thermowandlers an der rechten Stromzuführung 2 ist mit b₁, die Breite an der linken Stromzuführung 3 mit b₀ bezeichnet. Legt man darüber hinaus an der Stirnseite der linken Strom­zuführung 3 den Fußpunkt einer laufenden Koordinate x fest, so erhält man für die Breite b (x) folgende Beziehung:
    b (x) = b₀ + ((b₁ - b₀) / 1) · x mit b₀ < b₁.
  • Aufgrund er sich dadurch einstellenden ungleichen Strom­dichteverteilung wird bei konstanter Impulsdauer und rela­tiv kleiner Amplitude der Ansteuerspannung die zur Ver­dampfung notwendige Temperatur TV zuerst in der Nähe der linken Stromzuführung 3 erreicht. Dabei werden kleinvolumi­ge Tintentröpfchen emittiert. Mit Erhöhung der Ansteuer­spannung oder auch Verlängerung der Impulsdauer vergrößert sich die zur Blasenbildung wirksame Fläche über dem Thermo­wandler in Richtung der rechten Stromzuführung 2, d.h. es werden Tintentröpfchen mit größerem Volumen ausgestoßen. Prinzipiell ist mit einem Thermowandler konischer Geometrie eine über Amplitude und/oder Impulsdauer der Ansteuer­spannung kontinuierliche Abstimmung der Tintentröpfchen­volumina innerhalb gewisser, durch die Kanal- und Düsen­geometrie gegebener Grenzen möglich.
  • Während mit dem Thermowandler nach Figur 1b Tintentröpfchen kontinuierlicher Größe erzeugt werden können, eignen sich die Thermowandler nach den Figuren 1c bis 1e zur Erzeugung zweier diskreter, voneinander unterschiedlicher Tröpfchen­volumina. Die Thermowandler sind dabei in Bereiche unter­schiedlicher Breite bei gleicher Schichtdicke (Fig. 1c, 1d) oder in Bereiche unterschiedlicher thermischer oder elektrischer Eigenschaften unterteilt (Figur 1e).
  • Der Thermowandler nach Figur 1c weist innerhalb seiner Längserstreckung eine abgestufte Kontur auf, so daß sich die Fläche dieses Thermowandlers aus zwei unterschiedlich breiten Rechtecken zusammensetzt. Das an die linke Stromzu­führung 3 angrenzende Rechteck besitzt eine Breite b₁, das an die rechte Stromzuführung 2 angrenzende Rechteck besitzt eine Breite b₂, wobei die Breite b₁ kleiner ist als die Breite b₂. Durch eine solche Aufteilung der Fläche des Thermowandlers bei gleicher Schichtdicke werden zwei unter­schiedliche Wärmeerzeugungsabschnitte W₁, W₂ geschaffen.
  • In Figur 1d ist der Thermowandler in Form eines einfachen Rechteckes abgebildet, welches zur Erzeugung von zwei unter­schiedlichen Tröpfchenvolumina einen Isolationsspalt 4 auf­weist. Die Länge des Isolationsspaltes 4 innerhalb des Thermowandlers legt dabei die beiden Wärmeerzeugungsab­schnitte W₁, W₂ mit der wirksamen Breite 2 · b₃ im Wärmeerzeugungsabschnitt W₁ und der Breite b₂ im Wärmeer­zeugungsabschnitt W₂ fest.
  • Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung einer ungleich­förmigen Wärmeverteilung im Thermowandler ist in Figur 1e gezeigt. Der Thermowandler besteht dabei aus zwei Wärmeer­zeugungsabschnitten W₁, W₂ unterschiedlicher Schichtdicke (di) und/oder Schichtmaterialien, d.h. Materialien mit von­einander verschiedenen elektrischen (spezifischer Widerstand ρi) und/oder thermischen Eigenschaften (Temperaturleit­fähigkeit ai).
  • Allen anhand der Figuren 1b bis 1e gezeigten Ausführungs­beispielen von Thermowandlern ist gemeinsam, daß die abso­luten Tröpfchengrößen durch die Einzelflächen der Wärme­erzeugungsabschnitte W₁, W₂ bestimmt sind. Eine kleine er­hitzte Fläche bewirkt dabei den Ausstoß eines kleinen Tröpfchens, die gesamte Fläche dient zum Erzeugen von großen Tröpfchen, während das Übersprechen, d.h. die Güte der Trennung kleiner und großer Tröpfchen, durch das Ver­hältnis der Wärmeerzeugungsraten bzw. der Oberflächentempera­turen der einzelnen Wärmeerzeugungsabschnitte W₁, W₂ gegeben ist.
  • Die Funktionsweise der Thermowandler ist anhand der zeit­abhängigen Temperaturen der Wärmeerzeugungsabschnitte W₁, W₂ bei verschiedenen Ansteuerungsimpulsen in Figur 2 näher dargestellt.
  • In Figur 2a sind Amplitude und Pulsdauer Δt₁ der An­steuerspannung für die Thermowandler nach Figur 1 so ge­wählt, daß die zum Einsetzen der Blasenbildung notwendige Temperatur TV nur von dem Teilabschnitt W₁ des Thermo­wandlers, welcher aufgrund z.B. seiner geringeren Breite die höhere Wärmeerzeugungsrate aufweist (Fig. 1c), über­schritten wird. Nach dem Einsetzen der Verdampfung zum Zeitpunkt tv steigt die Temperatur T des Teilabschnittes W₁ bis zur Beendigung des Heizimpulses zum Zeitpunkt t₁ stärker an, da der Wärmefluß zwischen dem Teilabschnitt W₁ und der Tintenflässigkeit durch die Blasenbildung stark verringert wird. Der Temperaturverlauf vom Zeitpunkt des Verdampfungsbeginns tV bis zum Einsetzen der Kondensa­tion zum Zeitpunkt tK kennzeichnet die Expansion der Dampf­blase, wobei diese mechanische Arbeit verrichtet und der Tintenstrahl aus der Düse ausgestoßen wird. Da der Teilab­schnitt W₂ des Thermowandlers aufgrund seiner niedrigeren Wärmeerzeugungsrate (z.B. durch größere Breite dieses Ab­schnittes gegenüber dem Teilabschnitt W₁, vgl. Fig. 1c) nicht die zum Einleiten der Verdampfung notwendige Tempera­tur erreicht, trägt dieser nicht zur Tröpfchenbildung bei. Das Volumen des emittierten kleinen Tröpfchens wird somit durch die Fläche des Wärmeerzeugungsabschnittes W₁ bestimmt.
  • Zur Erzeugung größerer Tintentröpfchen muß zusätzlich der Wärmeerzeugungsabschnitt W₂ die zum Einleiten der Ver­dampfung notwendige Temperatur TV überschreiten. Dies kann auf einfache Weise durch Erhöhung der Amplitude der An­steuerspannung und/oder durch die Verlängerung der Heiz­impulsdauer erreicht werden.
  • In Figur 2b ist zur Erzeugung eines größeren Tintentröpfchens eine Ansteuerspannung gewählt, deren Impulsdauer identisch und deren Amplitude größer ist als die Amplitude der Ansteuerspannung im vorhergehenden Beispiel. Die Verdampfungs­ temperatur TV wird deshalb von beiden Wärmeerzeugungs­abschnitten W₁, W₂ erreicht, so daß die gesamte Fläche des Thermowandlers zur Tröpfchenbildung beiträgt. Dieselbe Wirkung wird erreicht, wenn nicht die Amplitude der An­steuerungsspannung erhöht wird, sondern die Heizimpulsdauer gegenüber der Heizimpulsdauer nach Figur 2c verlängert wird (Δt₂ > Δt₁).
  • Im Hinblick auf die Lebensdauer der Thermowandler und um eine zweite unkontrollierte Verdampfung auszuschließen, ist dabei eine unnötige thermische Überlastung des Teilab­schnittes mit der größeren Wärmeerzeugungsrate (Wärmeer­zeugungsabschnitt W₁) bzw. Oberflächentemperatur zu ver­meiden.
  • Da die im Wärmeerzeugungsabschnitt W₁ zuerst einsetzende Blasenbildung in der Tintenflüssigkeit unter Umständen eine Verdampfung im Wärmeerzeugungsabschnitt W₂ initiieren kann, ist es vorteilhaft, zur Verbesserung des Übersprechverhal­tens Thermowandlergeometrien zu verwenden, bei denen die Blasenerzeugungsabschnitte durch kältere Bereiche, d.h. Bereiche mit gegenüber den Blasenerzeugungsabschnitten niedrigeren Wärmeerzeugungsraten oder kleinerer Tempera­turleitfähigkeiten voneinander getrennt sind.
  • Die Figur 3 zeigt Ausführungsbeispiele von Thermowandlern, deren Wärmeerzeugungsabschnitte W₁, W₂ durch Trennbereiche T₁, T₂ voneinander thermisch entkoppelt sind. Wie in Figur 3a dargestellt ist, läßt sich die thermische Trennung der beiden Wärmeerzeugngsabschnitte W₁, W₂ durch eine lokal ver­breiterte Widerstandsgeometrie erreichen. Die beiden Wärme­erzeugungsabschnitte W₁, W₂ mit ihren Breiten b₁ und b₂ bilden keine Grenzschicht, an der sie unmittelbar anein­anderstoßen (vgl. Figur 1c), sondern sind mit Hilfe eines gegenüber den Wärmeerzeugungsabschnitten W₁, W₂ verbreiterten rechteckförmigen Steges 5, der eine Breite b₃ aufweist, thermisch entkoppelt (b₃ > b₁, b₂).
  • Eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung des Übersprech­verhaltens wird anhand Figur 3b erläutert. Die thermische Trennung der Wärmeerzeugungsabschnitte W₁, W₂ geschieht dabei durch Einfügen eines niederohmigen Widerstands­materials zwischen die beiden Wärmeerzeugungsabschnitte W₁ und W₂. Der Thermowandler ist in zwei Teilabschnitte recht­eckförmiger Gestalt eingeteilt, die zwar dieselben thermi­schen und elektrischen Eigenschaften (spezifischer Wider­stand ρ₁, Schichtdicke d₁ und Temperaturleitfähigkeit a₁) aufweisen, aber unterschiedlich breit sind (b₁ > b₂). Der Trennbereich T₁ ist durch ein Material mit einem spezifischen Widerstand ρ₂ < ρ₁ gekennzeichnet. Die gleiche Wirkung, nämlich eine thermische Trennung zwischen den Wärmeerzeugungsabschnitten W₁, W₂ kann auch dadurch erreicht werden, daß das Material im Trennbereich T₁ eine gegenüber den Wärmeerzeugungsabschnitten W₁, W₂ größere Schichtdicke d₂ > d₁ oder eine gegenüber den Wärmeer­zeugungsabschnitten W₁, W₂ niedrigere Temperaturleit­fähigkeit a₂ < a₁ aufweist.
  • Da die Lage der Thermowandler im Tintenkanal ebenfalls Einfluß auf die emittierte Tröpfchenmasse hat, ist auch eine räumliche Trennung der Wärmeerzeugungsabschnitte W₁, W₂ gemäß Figur 3c möglich. Ein zwischen die einzelnen Wärmeerzeugungsabschnitte W₁, W₂ mit ihren unterschiedlichen Breiten b₁, b₂ eingefügter Trennbereich T₂ weist eine Länge Δ1 auf und kann beispielsweise durch ein Material realisiert sein, aus dem auch die Stromzuführungen 2,3 be­stehen (z.B. Aluminium Al). Darüber hinaus sind auch Kombinationen der anhand der Figuren 3a und 3b gezeigten Thermowandlergeometrien mit einer solchen zusätzlichen räum­lichen Trennung der Wärmeerzeugungsabschnitte W₁, W₂ möglich.
  • Die Figur 4 zeigt, daß die Thermowandler durch entsprechen­de Unterteilung in Blasenerzeugungsabschnitte auch zur Er­zeugung von mehr als zwei verschiedenen Tintentröpfchen­volumina verwendet werden können. So sind in der Figur 4a und 4b Thermowandlergeometrien angegeben, die sich zum Aus­stoß von drei Tintentröpfchen unterschiedlicher Größe eignen. Die einzelnen Wärmeerzeugungsabschnitte W₁, W₂ und W₃ werden dabei entweder analog der Anordnung nach Figur 1c durch unterschiedliche Breiten b₁, b₂ und b₃ bei gleicher Schicht­dicke d₁ allein (b₁ < b₂ < b₃) oder zusätzlich zur thermi­schen Entkopplung dienenden lokal verbreiterten Widerstands­geometrien nach Figur 3a erzeugt (b₁ < b₂ < b₃, b₄ < b₅). Selbstverständlich sind auch bei Unterteilung des Thermo­wandlers in eine Vielzahl von Wärmeerzeugungsabschnitten alle oben angegebenen Maßnahmen zur Verbesserung der Tröpfchenseparation und Kombinationen daraus anwendbar.
  • Da bei den vorgestellten Methoden die primäre Voraussetzung zur Erzeugung verschiedener Tröpfchengrößen sich zeitlich unterschiedlich entwickelnde Oberflächentemperaturen der einzelnen Wärmeerzeugungsabschnitte sind, sei auf eine wei­tere Möglichkeit, dieses zu erreichen, hingewiesen. Dazu werden die Thermowandler herkömmlicher Geometrie (vgl. Figur 1a) mit konstanter Schichtdicke und Schichtbreite mit einer Deckschicht niedriger Wärmeleitfähigkeit (z.B. Silizium­dioxyd SiO₂) so abgedeckt und strukturiert, daß über dem Thermowandler Bereiche unterschiedlicher Deckschichtdicke entstehen oder es werden die Thermowandler partiell mit weiteren schlecht wärmeleitenden Schichten abgedeckt. Die so geschaffenen Bereiche entsprechen in ihrer Funktion dabei ebenfalls den schon beschriebenen Wärmeerzeugungsabschnitten und sind auf die gleiche Weise zur Erzeugung verschiedener Tröpfchengrößen verwendbar.

Claims (10)

1. Anordnung zum Erzeugen von Tintentröpfchen unterschied­licher Größe in einer nach dem Thermowandlerprinzip arbei­tenden Tintendruckeinrichtung mit folgenden Merkmalen:
a) in Tintenkanälen der Tintendruckeinrichtung sind eine Vielzahl von elektrothermischen Wandlerelementen (1) angeordnet, die durch individuelle Ansteuerimpulse im be­treffenden Tintenkanal eine Tintendampfblase erzeugen, welche ein bestimmtes Tintenvolumen als Tröpfchen aus einer den Tintenkanal abschließenden Austrittsdüse aus­stoßen,
b) die elektrothermischen Wandlerelemente (1) sind in ver­schiedene Wärmeerzeugungsabschnitte (W₁...W₃) derart unterteilt, daß eine inhomogene Wärmeerzeugungsrate erzeugbar ist.
c) über die Amplitude und/oder die Dauer der Ansteuerimpulse werden die zur Dampfblasenbildung beitragenden Wärmeer­zeugungsabschnitte (W₁...W₃) der elektrothermischen Wandlerelemente (1) gesteuert.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Wärmeerzeugungsabschnitte (W₁...W₃) durch unterschiedliche Breiten (b₁, b₂) bei gleicher Schichtdicke (di) der elektrothermischen Wandler­elemente (1) gebildet sind.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Wärmeerzeugungsabschnitte (W₁...W₃) aus Bereichen unterschiedlicher Schichtdicken (di) und/oder Schichtmaterialien (ρi, ai) der elektrothermischen Wandler­elemente (1) gebildet sind.
4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Wärmeerzeugungsabschnitte (W₁... W₃) durch einen Isolationsspalt (4) innerhalb eines Teiles der elektrothermischen Wandlerelemente (1) gebildet sind.
5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Wärmeerzeugungsabschnitte (W₁...W₃) thermisch voneinander durch Einfügen eines Trennbereiches (T₁) mit niedrigerer Wärmeerzeugungsrate thermisch getrennt sind.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Wärmeerzeugungsabschnitte ( W₁...W₃) durch eine lokal verbreiterte Widerstands­geometrie der elektrothermischen Wandlerelemente (1) thermisch entkoppelt sind.
7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Wärmeerzeugungsabschnitte (W₁...W₃) durch Einfügen eines Trennbereiches (T2) räumlich getrennt sind.
8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Oberfläche der elektrothermischen Wandlerelemente (1) konische Gestalt aufweist.
9. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Amplitude des Ansteuerimpulses so gewählt wird, daß die zur Verdampfung der Tintenflüssig­keit notwendige Temperatur (TV) zuerst nur in dem Wärmeer­zeugungsabschnitt (W₁) mit der größten Wärmeerzeugungsrate erreicht wird und durch Erhöhung der Amplitude des Ansteuer­impulses diese Temperatur (TV) in den restlichen Wärmeer­zeugungsabschnitten (W₂, W₃) erreicht wird.
10. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Impulsdauer des Ansteuerimpulses so gewählt wird, daß die zur Verdampfung der Tintenflüssig­keit notwendige Temperatur (TV) zuerst nur in dem Wärmeer­zeugungsabschnitt (W₁) mit der größten Wärmeerzeugungsrate erreicht wird und durch Verlängerung der Heizimpulsdauer diese Temperatur (TV) in den restlichen Wärmeerzeugungsab­schnitten (W₂, W₃) erreicht wird.
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