EP0439633A1 - Schreibkopf fÀ¼r eine nach dem Thermalwandlerprinzip arbeitende Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungsvorrichtung - Google Patents

Schreibkopf fÀ¼r eine nach dem Thermalwandlerprinzip arbeitende Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungsvorrichtung Download PDF

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EP0439633A1
EP0439633A1 EP90100038A EP90100038A EP0439633A1 EP 0439633 A1 EP0439633 A1 EP 0439633A1 EP 90100038 A EP90100038 A EP 90100038A EP 90100038 A EP90100038 A EP 90100038A EP 0439633 A1 EP0439633 A1 EP 0439633A1
Authority
EP
European Patent Office
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ink
nozzle
area
channel
section
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP90100038A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Bertchold
Wolfram Runge
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
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to EP90100038A priority Critical patent/EP0439633A1/de
Publication of EP0439633A1 publication Critical patent/EP0439633A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • 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
    • B41J2/135—Nozzles
    • B41J2/14—Structure thereof only for on-demand ink jet heads
    • B41J2/14016—Structure of bubble jet print heads
    • B41J2/14032—Structure of the pressure chamber
    • B41J2/1404—Geometrical characteristics
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • 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
    • B41J2/135—Nozzles
    • B41J2/14—Structure thereof only for on-demand ink jet heads
    • B41J2002/14379—Edge shooter

Definitions

  • the invention relates to a write head for a liquid jet recording device which operates according to the thermal converter principle according to the preamble of patent claim 1.
  • Known ink heads that work according to the thermal converter principle (bubble jet principle) and are described, for example, in DE-OS 30 12 698, have a large number of individual nozzles from which defined individual droplets are ejected under the action of an electronic control.
  • a characteristic feature of this technology is that there is an electrical resistor in the form of a heating element in a capillary filled with ink and in the vicinity of its opening. If a certain thermal energy is supplied to this heating element by means of a short current pulse, extremely rapid heat transfer to the ink (film boiling) first creates a rapidly expanding ink vapor bubble, which then collapses relatively quickly after the energy supply is lost by cooling the ink liquid. The pressure wave generated by the vapor bubble inside the capillaries causes an ink jet of limited mass to emerge from the nozzle opening onto the surface of a nearby recording medium.
  • An advantage of this bubble jet principle is that by using the phase change liquid-gaseous-liquid of the ink liquid, the relatively large and rapid volume change necessary for ink ejection is obtained from a very small active transducer area (typically approx. 0.01 mm2) .
  • the small transducer areas in turn allow a relatively simple and inexpensive when using modern manufacturing processes, such as high-precision photolithographic processes in layer technology permanent construction of ink printheads, which are characterized by high trace density and small dimensions.
  • the invention is therefore based on the object of designing a liquid jet recording head of the type mentioned in such a way that, with high reliability and operational safety, it has a significantly higher working speed than known writing heads, without sacrificing the efficiency of drop ejection or the quality of the recording.
  • the geometrical design of the capillaries and the nozzle and the arrangement of the heating element in the capillaries result in a significant increase in the working speed of the print head. If the heating element is arranged in the capillaries in such a way that the channel area, which is defined as the distance from the heating element to the ink reservoir, is shorter than the nozzle area, i. H. the distance between the heating element and the nozzle opening, a liquid transport directed towards the nozzle opening is brought about during the formation and collapse of the vapor bubble, and thus a rapid refilling of the capillaries is achieved. It is advantageous for this effect to choose the length of the channel area so that the liquid in this area is almost completely pressed into the adjacent ink reservoir by the expanding vapor bubble.
  • a particularly good refill behavior is achieved with the same cross section of the channel and nozzle area if the ratio of the length of the nozzle area to the length of the channel area is chosen to be 3. This ensures to a high degree that the vapor bubble moves away from the nozzle during expansion and towards the nozzle when collapsing.
  • the cross section in the nozzle area is chosen to be larger than in the channel area, the efficiency of drop formation is improved by reducing the frictional resistance in the nozzle area.
  • the refill behavior is positively influenced by a residual impulse in the direction of the nozzle due to different dissipation of kinetic energy. If the channel continuously expands in the area of the position of the heating element, the radial flow is reduced the expansion of the ink vapor bubble preferably deflected forward. Through constant transitions of the individual areas in the capillaries, the resistance of the flow directed to the nozzle is reduced and the efficiency of the drop formation is thus improved.
  • FIG. 1 shows top views of a channel structure for an ink writing head according to the prior art, the upper part of this figure showing the drop ejection when the vapor bubble 13 is expanding and the lower part of the figure the meniscus retraction when the vapor bubble collapses.
  • the channel structure is divided into two sub-areas, namely a channel area 12 with the length L1, which extends from the front side of the heating element 10 facing an ink reservoir 11 to the ink reservoir 11, and a nozzle area 15 with the length L2, which is the distance between the other End face of the heating element 10 and the nozzle exit surface 14 is defined.
  • Such a geometry is characterized in that the channel region 12 (the heating element 10 - reservoir 11) is longer than the nozzle region 15 (heating element path) 10 - nozzle exit surface 14).
  • the ink vapor bubble 13 moves forward a little, since the resistance is lower here.
  • the ink vapor bubble 13 collapses again, pulling the meniscus 16 back by an amount X2.
  • the place where the vapor bubble 13 collapses is located behind the center of the heating element 10.
  • the refill of the nozzle area 15 with ink liquid 17, the refill takes place through the capillary force of the meniscus 16 and takes up a multiple of the duration of the phase change.
  • Figure 2 shows qualitatively the typical course of the meniscus movement.
  • the reference point for the sketched course of movement of the meniscus 16 is the nozzle exit surface 14.
  • an ink jet leaves the nozzle exit surface 14 and moves in the direction of a recording medium (not shown here).
  • the drop is torn off at time t1 and the jet has traveled a distance X1.
  • the meniscus 16 moves back in the direction of the ink reservoir 11 by a maximum distance -X2 (time t2), in order then to return to the original state (time t3) relatively slowly.
  • the large meniscus retraction means that the refill time is a few 100 ⁇ s.
  • the maximum frequency with which the process can be repeated is in the range of typically 2 kHz.
  • the expanding vapor bubble 13 imprints the ink mass in the nozzle area 15 with a positive (directed towards the nozzle exit surface 14), the ink mass in the channel area 12 with a negative (directed towards the ink reservoir 11) impulse.
  • a large proportion of the positive impulse leaves the nozzle with the drop, while only a small part of the negative impulse is transferred into the reservoir 11.
  • the total negative pulse within the system causes the collapsing vapor bubble 13 to be shifted backward.
  • the distance by which the meniscus 16 moves backwards in total the meniscus retraction -X2, from which the drop volume occurs speaking distance and the displacement of the vapor bubble 13 together.
  • the relatively unfavorable behavior of such a channel structure is therefore due to the fact that little of the rearward impulse leaves the channel region 12.
  • FIG. 3 shows an example of a coordination of the channel and nozzle area that is favorable for the refill behavior.
  • the length L1 of the channel area 12 is less than the length L2 of the nozzle area 15.
  • Part a) of this figure shows a plan view of the channel and nozzle, the parts of the figure labeled b) to i) show side views at successive times.
  • the channel region 12 is selected to be shorter than the nozzle region 15 (L1 ⁇ L2), a liquid transport directed to the nozzle and thus a quick refill is brought about during the formation and collapse of the vapor bubble 13. The reason for this is the different loss of kinetic energy in the two areas, which - integrated over time - leads to a residual impulse in the direction of the nozzle.
  • the residual pulse is the sum of the pulses in the nozzle area and in the channel at the time the vapor bubble collapses.
  • a characteristic of good refill behavior is the movement of the vapor bubble 13 away from the nozzle during expansion and towards the nozzle when the vapor bubble collapses. This behavior is shown in Figure 3 at successive times.
  • the steam bubble 13 fills almost the entire channel at maximum expansion. This ensures that the rearward pulse is transmitted to the ink reservoir 11.
  • the coinciding Vapor bubble retards the forward moving mass in the nozzle and draws ink from the reservoir 11.
  • the meniscus retraction is significantly reduced, the residual pulse has increased and the maximum spray frequency that can be achieved with such a geometry is about twice as high as that that can be achieved with a geometry according to FIG. 1.
  • a side effect of these measures is a slight reduction in the efficiency in relation to the drop ejection, ie the drop mass and the drop speed decrease somewhat.
  • the total mechanical work gained from the expansion of the vapor bubble increases with the same amount of heat supplied. In order to keep the drop output values (drop mass and drop speed) constant, changes in the channel length alone are not sufficient.
  • the efficiency of droplet formation can, however, be improved if the cross section in the nozzle area 15 between the heating element 10 and the nozzle exit surface 14 is additionally selected larger than the cross section in the channel area 12 between the heating element 10 and the ink reservoir 11 with the measure (L1 L2) mentioned above
  • the efficiency is improved by reducing the frictional resistance in the nozzle area 15.
  • the refill behavior is also positively influenced, because a residual impulse in the direction of the nozzle is created by different dissipation of kinetic energy. If the cross-section of the channel region 12 is too small, the flow resistance in this region can be increased so much by friction and convective acceleration that the refill behavior deteriorates again.
  • the radial flow is preferably deflected forward when the steam bubble 13 expands.
  • the resistance of the flow directed to the nozzle is also reduced compared to a sudden expansion of the individual channel sections.
  • a particularly advantageous embodiment of the geometry is shown in FIG. 4.
  • the length L1 of the channel area 12 is smaller than the length L2 of the nozzle area 15.
  • the width of the channel which adjoins the ink reservoir 11 is designated by the reference symbol B1 and is constant to to the end face of the heating element 10. From here on, the channel widens in the direction of the outlet opening of the nozzle to the end of the heating element 10, from then on again with a constant width B2 (width of the nozzle area 15) to just before the exit surface, where then the cross section narrows to the width BD.
  • a channel structure with the following dimensions has proven to be particularly advantageous: Total length of the LG channel: 370 ⁇ m BD nozzle opening: 43 ⁇ m Width of the nozzle area 81: 75 ⁇ m Width of the channel area 82: 55 ⁇ m Ratio of lengths L2: L1: 3
  • Such a geometry of the channel results in a significantly improved refill behavior with the same droplet mass and droplet velocity.
  • the meniscus retraction can be significantly reduced and the remainder increased impulsively, so that a spray frequency which is almost twice as high as that of the known channel structures can be achieved.

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)

Abstract

Zur Steigerung der Arbeitsgeschwindigkeit von Bubble-Jet-Tintendruckeinrichtungen wird eine Kanalstruktur, d. h. eine Gestaltung von Kanal (19) und Düse (14), sowie eine Anordnung des Heizelementes (10) in dem Tintenkanal (19) angegeben, mit der die Dauer des kapillarischen Refills erheblich reduziert und damit die Arbeitsgeschwindigkeit des Schreibkopfes deutlich erhöht werden kann. Der Tintenkanal (19) ist hierzu in mehrere Teilbereiche (12, 14, 15, 18) unterschiedlichen Querschnittes untergliedert und das Heizelement (10) ist bezüglich der Längsausdehnung des Tintenkanals (19) außermittig in Richtung Tintenzuführung (11) versetzt angeordnet.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Schreibkopf für eine nach dem Thermalwandlerprinzip arbeitende Flüssigkeitsstrahlaufzeich­nungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Bekannte Tintenschreibköpfe, die nach dem Thermalwandlerprinzip (Bubble-Jet-Prinzip) arbeiten und beispielsweise in der DE-OS 30 12 698 beschrieben werden, weisen eine Vielzahl von Einzel­düsen auf, aus denen unter Einwirkung einer elektronischen Steuerung definiert Einzeltröpfchen ausgestoßen werden. Charak­teristisches Merkmal dieser Technologie ist, daß sich in einer mit Tinte gefüllten Kapillaren und zwar in der Nähe ihrer Öff­nung ein als Heizelement ausgebildeter elektrischer Widerstand befindet. Wird diesem Heizelement bei Bedarf mittels eines kur­zen Stromimpulses eine bestimmte Wärmeenergie zugeführt, ent­steht durch äußerst schnelle Wärmeübertragung auf die Tinte (Filmsieden) zuerst eine sich rasch expandierende Tintendampf­blase, die dann nach Wegfall der Energiezuführung durch Abküh­lung der Tintenflüssigkeit relativ schnell in sich zusammen­fällt. Die durch die Dampfblase im Inneren der Kapillaren ent­stehende Druckwelle läßt einen Tintenstrahl begrenzter Masse aus der Düsenöffnung auf die Oberfläche eines nahen Aufzeich­nungsträgers austreten.
  • Ein Vorteil dieses Bubble-Jet-Prinzips ist der, daß durch Aus­nutzung des Phasenwechsels flüssig-gasförmig-flüssig der Tin­tenflüssigkeit die zum Tintenausstoß notwendige, relativ große und schnelle Volumenänderung aus einer sehr kleinen aktiven Wandlerfläche (typisch ca. 0,01 mm²) gewonnen wird. Die kleinen Wandlerflächen wiederum erlauben bei Anwendung moderner Her­stellungsverfahren, wie hoch präzise fotolithografische Verfah­ren in Schichttechnik, einen relativ einfachen und kostengün­ stigen Aufbau von Tintendruckköpfen, die sich durch hohe Schreibspurendichte und geringe Abmessungen auszeichnen.
  • Neben anderen Merkmalen eines solchen Schreibkopfes ist seine Geometrie, insbesondere die Ausgestaltung des Tintenkanals und der Düsen, sowie die Größe und Anordnung des Heizelementes im Tintenkanal maßgeblich für die Leistungsfähigkeit. Die Tinten­dampfblase zieht beim Zusammenfallen den Meniskus an der Düsen­öffnung stark zurück. Das Wiederauffüllen der Düse (Refill) er­folgt allein durch die Kapillarkraft des Meniskus und bean­sprucht eine relativ große Zeitspanne im Vergleich zum Tropfen­ausstoß. Durch das langsame Refill wird die Wiederholfrequenz, auch als Spritzfrequenz bezeichnet, auf Werte von einigen kHz begrenzt, denn ein neuer Tropfenausstoß kann erst erfolgen, wenn das Refill beendet ist.
  • Aus der DE-29 44 005 A1 und der Veröffentlichung "One-Dimensio­nal Model of Bubble Growth and Liquid Flow in Bubble Jet Printers", Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 26, No. 10, Okt. 1987, pages 1794 bis 1801 sind Kanalstrukturen für Bubble-Jet-Druckköpfe der eingangs genannten Art bekannt, bei denen der Abstand zwischen Heizelement und Tintenreservoir grö­ßer ist als der Abstand vom Heizelement zur Düsenöffnung. Der Vorteil einer solchen geometrischen Ausgestaltung liegt darin, daß in bezug auf den Tropfenausstoß ein guter Wirkungsgrad er­reicht wird. Diese Art der Abstimmung der Längen des Tintenka­nals führt jedoch dazu, daß sich die Dampfblase beim Expandie­ren auf die Düse zubewegt und beim Zusammenfallen von der Düse wegbewegt. Das Refill beansprucht deshalb relativ lange Zeit und begrenzt so die maximale Spritzfrequenz.
  • Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Flüs­sigkeitsstrahlschreibkopf der eingangs genannten Art so auszu­gestalten, daß er bei hoher Zuverlässigkeit und Betriebssicher­heit eine gegenüber bekannten Schreibköpfen deutlich höhere Ar­beitsgeschwindigkeit aufweist, ohne daß dabei Einbußen am Wir­kungsgrad des Tropfenausstoßes oder an der Güte der Aufzeich­nung auftreten.
  • Diese Aufgabe wird gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Pa­tentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Wei­terbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Durch eine gezielte geometrische Ausgestaltung der Kapillaren und der Düse, sowie die Anordnung des Heizelementes in der Ka­pillaren wird eine deutliche Erhöhung der Arbeitsgeschwindig­keit des Schreibkopfes erreicht. Wird das Heizelement in der Kapillaren so angeordnet, daß der Kanalbereich, der als Abstand vom Heizelement zum Tintenreservoir definiert ist, kürzer ist als der Düsenbereich, d. h. der Abstand zwischen Heizelement und Düsenöffnung, so wird während des Entstehens und Zusammen­fallens der Dampfblase ein zur Düsenöffnung gerichteter Flüs­sigkeitstransport bewirkt und damit ein schnelles Wiederauffül­len der Kapillaren erreicht. Vorteilhaft für diesen Effekt ist es, die Länge des Kanalbereiches so zu wählen, daß die Flüssig­keit in diesem Bereich von der expandierenden Dampfblase nahezu vollständig in das benachbarte Tintenreservoir gedrückt wird.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird bei gleichem Quer­schnitt des Kanal- und des Düsenbereiches ein besonders gutes Refill-Verhalten erreicht, wenn das Verhältnis der Länge des Düsenbereiches zur Länge des Kanalbereiches gleich 3 gewählt wird. Dabei ist in hohem Maße sichergestellt, daß sich die Dampfblase bei der Expansion von der Düse weg und beim Zusam­menfallen auf die Düse zu bewegt.
  • Wird zusätzlich zu dieser Maßnahme der Querschnitt im Düsenbe­reich größer gewählt als im Kanalbereich, so wird der Wirkungs­grad der Tropfenbildung durch Verringerung des Reibungswider­standes im Düsenbereich verbessert.
  • Ein weiterer Vorteil dabei ist darin zu sehen, daß das Refill-­Verhalten positiv beeinflußt wird, indem durch unterschiedliche Dissipation von Bewegungsenergie ein Restimpuls in Richtung der Düse entsteht. Erweitert sich der Kanal im Bereich der Lage des Heizelementes nach vorne stetig, wird die radiale Strömung bei der Expansion der Tintendampfblase bevorzugt nach vorne umge­lenkt. Durch stetige Übergänge der einzelnen Bereiche in der Kapillaren wird erreicht, daß sich der Widerstand der zur Düse gerichteten Strömung verringert und damit der Wirkungsgrad der Tropfenbildung verbessert wird.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei­spiels erläutert, wozu auf die Zeichnungen verwiesen wird.
  • Dort zeigen
    • Figur 1 einen Tropfenausstoß bei expandierender Dampfblase und den Meniskusrückzug beim Zusammenfallen der Dampfblase für eine Kanalstruktur gemäß dem Stand der Technik,
    • Figur 2 den qualitativen Verlauf der Meniskusbewegung bei einer Kanalstruktur nach der Figur 1,
    • Figur 3 eine für das Refill günstige Anordnung des Heizelemen­tes in der Kapillaren und
    • Figur 4 eine Draufsicht der erfindungsgemäßen Kanalgeometrie.
  • In Figur 1 sind Draufsichten einer Kanalstruktur für einen Tin­tenschreibkopf gemäß dem Stand der Technik wiedergegeben, wobei der obere Teil dieser Figur den Tropfenausstoß bei expandieren­der Dampfblase 13 und der untere Teil der Figur den Meniskus­rückzug bei Zusammenfallen der Dampfblase zeigt. Die Kanal­struktur ist in zwei Teilbereiche untergliedert, nämlich einen Kanalbereich 12 mit der Länge L1, der sich von der einem Tin­tenreservoir 11 zugewandten Stirnseite des Heizelementes 10 bis zu dem Tintenreservoir 11 erstreckt und einen Düsenbereich 15 mit der Länge L2, der als Abstand zwischen der anderen Stirn­seite des Heizelementes 10 und der Düsenaustrittsfläche 14 de­finiert ist. Eine solche Geometrie zeichnet sich dadurch aus, daß der Kanalbereich 12 (die Strecke Heizelement 10 - Reservoir 11) länger ist als der Düsenbereich 15 (Strecke Heizelement 10 - Düsenaustrittsfläche 14). Bei der Expansion der Dampfblase 13, wie sie im oberen Teil der Figur 1 skizziert ist, bewegt sich die Tintendampfblase 13 um ein kleines Stück nach vorne, da hier der Widerstand geringer ist. Nach dem Tropfenausstoß fällt die Tintendampfblase 13 wieder zusammen und zieht dabei den Meniskus 16 um einen Betrag X2 weit zurück. Der Ort, an dem die Dampfblase 13 zusammenfällt, befindet sich hinter der Mitte des Heizelementes 10. Das Wiederauffüllen des Düsenbereiches 15 mit Tintenflüssigkeit 17, das Refill, erfolgt durch die Kapil­larkraft des Meniskus 16 und beansprucht ein Mehrfaches der Dauer des Phasenwechsels.
  • Die Figur 2 zeigt qualitativ den typischen Verlauf der Menis­kusbewegung. Bezugspunkt für den skizzierten Bewegungsverlauf des Meniskus 16 ist dabei die Düsenaustrittsfläche 14. Zum Zeitpunkt t0 verläßt ein Tintenstrahl die Düsenaustrittsfläche 14 und bewegt sich in Richtung eines hier nicht dargestellten Aufzeichnungsträgers. Zum Zeitpunkt t1 erfolgt der Tropfenabriß und der Strahl hat dabei eine Wegstrecke X1 zurückgelegt. Un­mittelbar danach bewegt sich der Meniskus 16 in Richtung Tin­tenreservoir 11 um eine maximale Wegstrecke -X2 (Zeitpunkt t2) zurück, um dann wieder relativ langsam in den ursprünglichen Zustand (Zeitpunkt t3) zu gelangen. Der große Meniskusrückzug führt dazu, daß die Refillzeit einige 100 µs beträgt. So liegt die maximale Frequenz mit der der Vorgang wiederholt werden kann (Spritzfrequenz) im Bereich von typisch 2 kHz. Die expan­dierende Dampfblase 13 prägt der Tintenmasse im Düsenbereich 15 einen positiven (zur Düsenaustrittsfläche 14 hin gerichteten) Impuls auf, der Tintenmasse im Kanalbereich 12 einen negativen (in Richtung zum Tintenreservoir 11 hin gerichteten) Impuls. Ein großer Anteil des positiven Impulses verläßt mit dem Trop­fen die Düse, während vom negativen Impuls nur ein kleiner Teil in das Reservoir 11 übertragen wird. Der negative Gesamtimpuls innerhalb des Systems führt dazu, daß die zusammenfallende Dampfblase 13 nach hinten verschoben wird. So setzt sich die Strecke, um die sich der Meniskus 16 insgesamt nach hinten be­wegt, der Meniskusrückzug -X2, aus der dem Tropfenvolumen ent­ sprechenden Strecke und der Verschiebung der Dampfblase 13 zu­sammen. Das relativ ungünstige Verhalten einer solchen Kanal­struktur liegt demnach darin begründet, daß wenig des nach hin­ten gerichteten Impulses den Kanalbereich 12 verläßt.
  • Die Figur 3 zeigt ein Beispiel für eine für das Refill-Verhal­ten günstige Abstimmung der Kanal- und des Düsenbereiches. Die Länge L1 des Kanalbereiches 12 ist dabei geringer als die Länge L2 des Düsenbereiches 15. Teil a) dieser Figur zeigt dabei eine Draufsicht auf Kanal und Düse, die mit b) bis i) bezeichneten Teile der Figur zeigen Seitenansichten zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten. Dadurch, daß der Kanalbereich 12 kürzer als der Düsenbereich 15 gewählt wird (L1 < L2), wird während des Ent­stehens und Zusammenfallens der Dampfblase 13 ein zur Düse ge­richteter Flüssigkeitstransport und damit ein schnelles Refill bewirkt. Ursache dafür ist der unterschiedliche Verlust von Be­wegungsenergie in den beiden Bereichen, was - über die Zeit in­tegriert - zu einem Restimpuls in Richtung der Düse führt. Der Restimpuls ist dabei die Summe der Impulse im Düsenbereich und im Kanal zum Zeitpunkt des Zusammenfallens der Dampfblase. Ein positiver Restimpuls ist nach vorne gerichtet und unterstützt so das Refill. Vorteilhaft für diesen Effekt ist es, die Länge L1 so zu wählen, daß die Tintenflüssigkeit in diesen Bereich von der expandierenden Tintendampfblase 13 nahezu vollständig in das benachbarte Tintenreservoir 11 gedrückt wird. Bei glei­chem Querschnitt der Bereiche 12, 15 wird das beste Refill-Ver­halten bei einem Verhältnis von L2 : L1 = 3 erreicht.
  • Kennzeichen eines guten Refill-Verhaltens ist die Bewegung der Dampfblase 13 von der Düse weg bei der Expansion und auf die Düse zu beim Zusammenfallen der Dampfblase. Dieses Verhalten ist in Figur 3 zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten gezeigt.
  • Durch eine solche Wahl der Kanalgeometrie füllt die Dampfblase 13 bei maximaler Ausdehnung fast den gesamten Kanal aus. Hier­durch wird erreicht, daß der nach hinten gerichtete Impuls an das Tintenreservoir 11 übertragen wird. Die zusammenfallende Dampfblase verzögert die sich nach vorne bewegende Masse in der Düse und saugt Tintenflüssigkeit aus dem Reservoir 11 nach. Der Meniskusrückzug dabei ist deutlich reduziert, der Restimpuls hat sich vergrößert und die maximale Spritzfrequenz, die mit einer solchen Geometrie erreicht werden kann, ist etwa doppelt so hoch, wie diejenige, die mit einer Geometrie nach Figur 1 erreicht werden kann. Nebeneffekt dieser Maßnahmen ist eine ge­ringfügige Verringerung des Wirkungsgrades in bezug auf den Tropfenausstoß, d. h. die Tropfenmasse und die Tropfengeschwin­digkeit verringert sich etwas. Die insgesamt aus der Expansion der Dampfblase gewonnene mechanische Arbeit wird jedoch bei gleicher zugeführter Wärmemenge größer. Um die Werte des Trop­fenausstoßes (Tropfenmasse und Tropfengeschwindigkeit) konstant zu halten, reichen Veränderungen der Kanallänge allein nicht aus.
  • Der Wirkungsgrad der Tropfenbildung läßt sich jedoch verbes­sern, wenn zusätzlich mit der oben angeführten Maßnahme (L1 L2) der Querschnitt im Düsenbereich 15 zwischen Heizelement 10 und der Düsenaustrittsfläche 14 größer gewählt wird, als der Querschnitt im Kanalbereich 12 zwischen Heizelement 10 und Tin­tenreservoir 11. Die Verbesserung des Wirkungsgrades wird dabei durch Verringerung des Reibungswiderstandes im Düsenbereich 15 erreicht. Auch das Refill-Verhalten wird positiv beeinflußt, weil durch unterschiedliche Dissipation von Bewegungsenergie ein Restimpuls in Richtung der Düse entsteht. Ein zu kleiner Querschnitt des Kanalbereiches 12 kann jedoch den Strömungswi­derstand in diesem Bereich durch Reibung und konvektive Be­schleunigung so stark erhöhen, daß sich das Refill-Verhalten wieder verschlechtert.
  • Wenn sich der Kanal im Bereich des Heizelementes 10 in Richtung zur Düse stetig erweitert, wird die radiale Strömung bei der Expansion der Dampfblase 13 bevorzugt nach vorne umgelenkt. Ge­genüber einer sprunghaften Erweiterung der einzelnen Kanalab­schnitte verringert sich auch der Widerstand der zur Düse ge­richteten Strömung. Damit wird der Wirkungsgrad der Tropfenbil­ dung verbessert. Eine besonders vorteilhafte Ausführung der Geometrie ist in Figur 4 gezeigt.
  • Gemäß dieser Ausführungsform, die eine Kanalstruktur in Drauf­sicht zeigt, ist die Länge L1 des Kanalbereiches 12 kleiner als die Länge L2 des Düsenbereiches 15. Die Breite des Kanals, der sich an das Tintenreservoir 11 anschließt, ist mit dem Bezugs­zeichen B1 bezeichnet und ist konstant bis zur Stirnseite des Heizelementes 10. Von hier ab erweitert sich der Kanal in Rich­tung Austrittsöffnung der Düse stetig bis zum Ende des Heizele­mentes 10, um von da ab wieder konstant mit der Breite B2 (Breite des Düsenbereiches 15) bis kurz vor der Austrittsflä­che, wo dann eine Verengung des Querschnittes auf die Breite BD eintritt.
  • Als besonders vorteilhaft hat sich eine Kanalstruktur mit fol­genden Maßen erwiesen:
    Gesamtlänge des Kanals LG: 370 µm
    Düsenöffnung BD: 43 µm
    Breite des Düsenbereiches 81: 75 µm
    Breite des Kanalbereiches 82: 55 µm
    Verhältnis der Längen L2 : L1: 3
  • Durch eine solche Geometrie des Kanals, wird bei gleicher aus­gestoßener Tropfenmasse und Tropfengeschwindigkeit ein wesent­lich verbessertes Refill-Verhalten erreicht. Insbesondere läßt sich der Meniskusrückzug erheblich verringern und der Rest im­puls erhöhen, so daß eine annäherend doppelt so hohe Spritzfre­quenz gegenüber den bekannten Kanalstrukturen erzielt werden kann.

Claims (5)

1. Schreibkopf für eine nach dem Thermalwandlerprinzip arbei­tende Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungsvorrichtung, der eine Vielzahl von Tintenkanälen (19) aufweist, die zum Zuführen von Tintenflüssigkeit (17) mit einem gemeinsamen Tintenreservoir (11) in Verbindung stehen und die auf der einem zu bedruckenden Aufzeichnungsträger zugewandten Seite in Düsenöffnungen (14) münden, wobei in jedem Tintenkanal (19) ein individuell an­steuerbares Energieerzeugungselement (10) zum Ausstoß von Ein­zeltröpfchen aus den Düsenöffnungen (14) vorgesehen ist, da­durch gekennzeichnet, daß sich die ein­zelnen Tintenkanäle (19) aus mehreren Teilbereichen (12, 14, 15, 18) unterschiedlichen Querschnittes zusammensetzen und die Energieerzeugungselemente (Heizelemente 10) bezüglich der Längsausdehnung der Tintenkanäle (19) außermittig in Richtung Tintenzufuhr versetzt angeordnet sind.
2. Schreibkopf nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß sich ein Tintenkanal (19) aus einem un­mittelbar an das Tintenreservoir (11) anschließenden Kanalbe­reich (12) mit konstantem Querschnitt, einen entlang des Heiz­elementes (10) verlaufenden Bereich mit einem in Richtung der Düsenöffnung (14) stetig erweiternden Querschnitt und einem daran anschließenden Düsenbereich (15) mit konstantem Quer­schnitt zusammensetzt.
3. Schreibkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­kennzeichnet, daß der Querschnitt des Düsenberei­ches (15) in der Nähe der Düsenöffnung (14) verringert ist.
4. Schreibkopf nach Anspruch 3, dadurch gekenn­zeichnet, daß der Übergang zwischen Düsenbereich (15) und Düsenöffnung (14) stetig verläuft.
5. Schreibkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­kennzeichnet, daß das Verhältnis der Länge (L2) des Düsenbereiches (15) zur Länge (L1) des Kanalbereiches (12) zwischen 2 und 4 beträgt.
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