EP0458997B1 - Verfahren zum Betreiben einer Tintenschreibeinrichtung nach dem Thermalwandler Prinzip - Google Patents

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EP0458997B1
EP0458997B1 EP19900110284 EP90110284A EP0458997B1 EP 0458997 B1 EP0458997 B1 EP 0458997B1 EP 19900110284 EP19900110284 EP 19900110284 EP 90110284 A EP90110284 A EP 90110284A EP 0458997 B1 EP0458997 B1 EP 0458997B1
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    • B41J2/0458—Control methods or devices therefor, e.g. driver circuits, control circuits controlling heads based on heating elements forming bubbles

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an ink writing device working according to the thermal converter principle and a recording head for such a device according to the features of the patent claim.
  • 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 an electrical resistor designed as a heating element is located in a capillary filled with ink, in the vicinity of its opening. If a certain amount of thermal energy is supplied to this heating element by means of a short current pulse, extremely rapid heat transfer to the ink liquid (film boiling) first creates a rapidly expanding ink vapor bubble (bubble), which then collapses relatively quickly after the energy supply is lost by cooling the ink liquid .
  • the pressure wave generated by the ink vapor bubble in the interior of 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 utilizing 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 when using modern manufacturing processes, such as high-precision photolithographic processes in layer technology, allow a relatively simple and inexpensive construction of ink writing heads which are distinguished by a high density of traces and small dimensions.
  • Such ink writing heads are therefore advantageously used in ink writing devices which operate according to the so-called drop-on-demand principle, i.e.
  • the structure of the characters and / or the graphic patterns is carried out by the controlled ejection of individual ink droplets which, with a corresponding relative movement between the recording medium and the writing head, build up the characters or patterns in a grid in a predetermined character matrix.
  • To generate an acceptable typeface it is necessary to eject spherical droplets of the same mass and speed at precisely defined points in time.
  • the surrounding ink liquid is heated up to evaporation by a suitable current pulse through the resistance heating element.
  • the resulting ink vapor bubble briefly generates a high pressure in the ink channel, which leads to the ejection of an ink droplet, hereinafter referred to as primary drop, from the nozzle opening.
  • primary drop an ink droplet
  • overpressure arises again, which can lead to the ejection of another droplet, the so-called micro-jet, especially at high speeds of the primary drop.
  • micro jets in bubble jet writing mechanisms can be suppressed by reducing the drop flight speed of the primary drop and thus the flow speeds in the ink channel as a whole.
  • the lowering of the flying speed of the primary drop requires a lowering of the working speed (spray frequency) of the entire ink writing device.
  • the invention is therefore based on the object of specifying measures for an ink writing device of the type mentioned at the outset with which these micro-jets can be safely prevented in a simple manner without impairing the printing speed.
  • the condensation of the ink vapor bubble can be delayed either by increased heat supply to the electrothermal transducer element or by reduced heat dissipation not according to the invention.
  • the increased supply of heat is achieved according to the invention by reheating the heating element by means of one or more current pulses of suitable duration but of the same amplitude. This subsequent heat supply is adjusted in terms of the time and the amount so that the collapse of the ink vapor bubble is only delayed, but not a new one is generated, which in turn would lead to the ejection of a further drop.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a print head structure as used in an ink printing device that works according to the so-called bubble jet principle.
  • the ink writing head 10 is built up in layers and the ink is supplied through an opening in the cover plate.
  • a series of ink channels 12 are formed on a substrate 11, for example made of silicon, by means of separating webs 13.
  • Each ink channel 12 ends on the side facing a recording medium (not shown here) in an outlet nozzle 14. All ink channels 12 are connected to an ink chamber 15 in the interior of the print head 10.
  • Each ink channel 12 is assigned an electrothermal transducer element in the form of a heating resistor 16, which can be contacted and controlled individually from the outside via contact connections 17, which run in the form of conductor tracks on the substrate 11.
  • a protective layer 18 covering the heating resistors 16 and the contact connections 17 serves to reduce interfering influences between the ink liquid 23 and the resistance or contact material.
  • a cover plate 19 above the substrate 11 and the channel structure 12 built thereon which is preferably consists of glass or a similar material and in which the ink chamber 15 is formed.
  • the ink is supplied to the ink chamber 15 via an opening 20 through which the ink liquid 23 is introduced into the ink chamber 15, for example via a line or via a channel 21, additional connecting and sealing devices 22 being provided.
  • the supply of ink liquid 23 into the ink chamber 15 can alternatively take place through an opening in the substrate 11.
  • the left half of FIG. 2 shows a current pulse 26 suitable for the control of the electrothermal transducer elements 16, which is characterized by its relative amplitude I / I max under the pulse duration T.
  • the pulse is applied to the transducer element 16. This begins to heat up and the ink liquid 23 is heated locally. Pressure begins to build up within the ink channel 12 and the ink vapor bubble 28 begins to develop. After approximately 6 ⁇ s, the pulse is switched off again, the ink vapor bubble continues to grow, and a primary drop 24 is expelled from the outlet nozzle 14.
  • the ink vapor bubble 28 condenses very quickly, in the ink channel 12 there is negative pressure when the vapor bubble collapses, through which ink liquid 23 is sucked out of the ink channel 12 and ink liquid 23 is withdrawn from the outlet nozzle 14.
  • the collision of these two liquid fronts from the ink channel and the nozzle again leads to excess pressure, which causes an additional, troublesome drop, the so-called "micro-jet" 25, to emerge from the nozzle 14.

Landscapes

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

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer nach dem Thermalwandler-Prinzip arbeitenden Tintenschreibeinrichtung sowie einen Aufzeichnungskopf für eine solche Einrichtung gemäß den Merkmalen des Patentansprüchs.
  • Ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs ist aus dem JP-A-63199652 bekannt.
  • Bekannte Tintenschreibköpfe, die nach dem Thermalwandler-Prinzip (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 Tintenflüssigkeit (Filmsieden) zuerst eine sich rasch expandierende Tintendampfblase (Bubble), die dann nach Wegfall der Energiezuführung durch Abkühlung der Tintenflüssigkeit relativ schnell in sich zusammenfällt. Die durch die Tintendampfblase 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 hochpräzise photolithographische Verfahren in Schichttechnik, einen relativ einfachen und kostengünstigen Aufbau von Tintenschreibköpfen, die sich durch hohe Schreibspurendichte und geringe Abmessungen auszeichnen.
  • Solche Tintenschreibköpfe werden deshalb vorteilhaft in Tintenschreibeinrichtungen verwendet, die nach dem sogenannten Drop-on-Demand-Prinzip arbeiten, d.h. der Aufbau der Zeichen und/oder der graphischen Muster erfolgt durch den gesteuerten Ausstoß einzelner Tintentröpfchen, die bei einer entsprechenden Relativbewegung zwischen dem Aufzeichnungsträger und dem Schreibkopf die Zeichen oder Muster innerhalb einer vorgegebenen Zeichenmatrix rasterförmig aufbauen. Dabei ist zur Erzeugung eines akzeptablen Schriftbildes der Ausstoß von kugelförmigen Einzeltröpfchen gleicher Masse und Geschwindigkeit zu genau definierten Zeitpunkten erforderlich.
  • Bei den bekannten Bubble-Jet-Schreibköpfen wird durch einen geeigneten Stromimpuls durch das Widerstands-Heizelement die umgebende Tintenflüssigkeit bis zur Verdampfung erwärmt. Die dabei entstehende Tintendampfblase erzeugt im Tintenkanal kurzzeitig einen hohen Druck, der zum Ausstoß eines Tintentröpfchens, in folgendem als Primärtropfen bezeichnet, aus der Düsenöffnung führt. Während des Zusammenfallens der Dampfblase herrscht Unterdruck, der Flüssigkeit aus dem Tintenkanal ansaugt und zum Zurückziehen der Tintenflüssigkeit in der Austrittsdüse führt. Treffen nun die beiden Flüssigkeitsfronten aus Tintenkanal und Austrittsdüse zusammen, so entsteht wiederum Überdruck, der besonders bei hoher Geschwindigkeit des Primärtropfens zum Ausstoß eines weiteren Tröpfchens, dem sogenannten Micro-Jet führen kann. Diese ungewollt zusätzlich ausgestoßenen Tröpfchen beeinträchtigen das Schriftbild, weil damit auf Rasterpunkte des Matrixgitters unterschiedliche Tintenmassen aufgebracht werden.
  • Die Bildung dieser Micro-Jets bei Bubble-Jet-Schreibwerken kann dadurch unterdrückt werden, daß die Tropfenfluggeschwindigkeit des Primärtropfens und damit die Strömungsgeschwindigkeiten im Tintenkanal insgesamt verringert werden. Die Senkung der Flugeschwindigkeit des Primärtropfens bedingt aber eine Verringerung der Arbeitsgeschwindigkeit (Spritzfrequenz) der gesamten Tintenschreibeinrichtung.
  • Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen für eine Tintenschreibeinrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit denen diese Micro-Jets auf einfache Weise sicher verhindert werden können, ohne daß dabei eine Beeinträchtigung der Druckgeschwindigkeit auftritt.
  • Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs gelöst.
  • Die Bildung zusätzlicher Tropfen wird verhindert, indem der Überdruck abgebaut wird, der beim Zusammenfallen der Dampfblase entsteht. Dies kann erreicht werden durch eine Verzögerung der Kondensation der Dampfblase, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit gesenkt wird, mit der die Flüssigkeitsfronten aus der Austrittsdüse und dem Tintenkanal aufeinandertreffen. Dies hat den Vorteil, daß die Geschwindigkeit des Primärtropfens davon unbeeinflußt bleibt.
  • Den größten Einfluß auf die Kondensation der Tintendampfblase hat die Wärme, die während dieses Vorgangs zu- oder abgeführt wird. Daher kann die Kondensation der Tintendampfblase entweder durch vermehrte Wärmezufuhr zu dem elektrothermischen Wandlerelement oder durch nicht erfindungsgemäße verringerte Wärmeabfuhr verzögert werden.
  • Die erhöhte Wärmezufuhr wird erfindungsgemäß durch ein Nachheizen des Heizelementes mittels eines oder mehrerer Stromimpulse geeigneter Dauer aber gleicher Amplitude erreicht. Diese nachträgliche Wärmezufuhr wird bezüglich des Zeitpunktes und der Menge so abgestimmt, das das Zusammenfallen der Tintendampfblase lediglich verzögert, nicht aber eine neue erzeugt wird, die ihrerseits zum Ausstoß eines weiteren Tropfens führen würde.
  • Die Erfindung wird in folgendem anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert, wozu auf die Darstellungen verwiesen wird.
  • Dort zeigen
    • Fig. 1
    in Prinzipdarstellung den Aufbau eines Tintenschreibkopfes,
    Fig. 2
    die Dampfblasenerzeugung nach einem Stand der Technik und
    Fig. 3
    die Dampfblasenerzeugung nach der Erfindung.
  • Die Fig. 1 zeigt in Prinzipdarstellung einen Schreibkopfaufbau, wie er in einer nach dem sogenannten Bubble-Jet-Prinzip arbeitenden Tintendruckeinrichtung Verwendung findet. Der Tintenschreibkopf 10 ist dabei schichtweise aufgebaut und die Tintenzufuhr erfolgt durch eine Öffnung in der Abdeckplatte. Auf einem Substrat 11, z.B. aus Silizium, sind eine Reihe von Tintenkanälen 12 mittels Trennstegen 13 ausgebildet. Jeder Tintenkanal 12 endet an der einem hier nicht dargestellten Aufzeichnungsträger zugewandten Seite in eine Austrittsdüse 14. Sämtliche Tintenkanäle 12 stehen mit einer Tintenkammer 15 im Innern des Druckkopfes 10 in Verbindung. Jedem Tintenkanal 12 ist ein elektrothermisches Wandlerelement in Form eines Heizwiderstandes 16 zugeordnet, der über Kontaktanschlüsse 17, die in Form von Leiterbahnen auf dem Substrat 11 verlaufen, von außen kontaktierbar und individuell ansteuerbar sind. Eine die Heizwiderstände 16 und die Kontaktanschlüsse 17 überdeckende Schutzschicht 18 dient zur Reduzierung störender Einflüsse zwischen der Tintenflüssigkeit 23 und dem Widerstands- bzw. Kontaktmaterial. Über dem Substrat 11 und der darauf aufgebauten Kanalstruktur 12 befindet sich eine Abdeckplatte 19, die vorzugsweise aus Glas oder einem ähnlichen Material besteht und in der die Tintenkammer 15 ausgeformt ist. Die Tintenzufuhr in die Tintenkammer 15 erfolgt über eine Öffnung 20, über die die Tintenflüssigkeit 23, z.B. über eine Leitung oder über einen Kanal 21, in die Tintenkammer 15 eingeführt wird, wobei zusätzliche Verbindungsund Abdichtungseinrichtungen 22 vorgesehen sind.
  • Die Zufuhr von Tintenflüssigkeit 23 in die Tintenkammer 15 kann auch alternativ durch eine Öffnung im Substrat 11 erfolgen.
  • Die linke Hälfte der Fig. 2 zeigt einen für die Ansteuerung der elektrothermischen Wandlerelemente 16 geeigneten Stromimpuls 26, der durch seine relative Amplitude I/Imax unter der Impulsdauer T charakterisiert ist. Die rechte Hälfte der Fig. 2 zeigt zeitabhängig die verschiedenen Stadien des Tröpfchenausstoßes mit anschließender Kondensation der Tintendampfblase 28. Zum Zeitpunkt t=0 wird der Impuls an das Wandlerelement 16 angelegt. Dieses beginnt sich zu erwärmen, und die Tintenflüssigkeit 23 wird lokal erhitzt. Innerhalb des Tintenkanals 12 beginnt sich ein Druck aufzubauen und die Tintendampfblase 28 beginnt sich zu entwickeln. Nach ca. 6 µs wird der Impuls wieder abgeschaltet, die Tintendampfblase wächst weiter, und es wird ein Primärtropfen 24 aus der Austrittsdüse 14 ausgestoßen. Die Tintendampfblase 28 kondensiert sehr rasch, im Tintenkanal 12 herrscht beim Zusammenfallen der Dampfblase Unterdruck, durch den Tintenflüssigkeit 23 aus dem Tintenkanal 12 nachgesaugt und Tintenflüssigkeit 23 aus der Austrittsdüse 14 zurückgezogen wird. Das Aufeinandertreffen dieser beiden Flüssigkeitsfronten aus dem Tintenkanal und der Düse führt wieder zu einem Überdruck, der einen zusätzlichen, störenden Tropfen, den sogenannten "Micro-Jet" 25, aus der Düse 14 austreten läßt.
  • Anhand der Fig. 3 wird erläutert, wie gemäß der Erfindung diese zusätzlichen aus der Austrittsdüse austretenden Tintentröpfchen 25 vermieden werden können. Im Unterschied zur Fig. 1 wird dabei die Kondensation der Dampfblase verzögert, wodurch die Strömungsgeschwindigkeiten im Tintenkanal 12 gesenkt werden, mit denen die Flüssigkeitsfronten aus der Düse und demjenigen Teil des Tintenkanals 12, der mit dem Tintenreservoir verbunden ist, aufeinandertreffen. Die Geschwindigkeit, mit der der Primärtropfen 24 die Austrittsdüse 14 verläßt, bleibt dabei unbeeinflußt. Die Verzögerung der Kondensation der Tintendampfblase 28 wird durch erhöhte Wärmezufuhr an das Wandlerelement 16 erreicht. Hierzu dient ein Nachheizimpuls 27, der kurz vor dem endgültigen Zusammenfallen der Tintendampfblase an das Heizelement angelegt wird. Bei einem typischen Anwendungsfall mit einem den Primärtropfen 24 auslösenden Heizimpuls 26 von ca. 6 µs Impulsdauer und einer relativen Amplitude I/I max = 1
    Figure imgb0001
     genügt ein Nachheizimpuls 27 gleicher Amplitude von ca. 3 µs Impulsdauer, der ca. nach 35 µs dem Hauptheizimpuls folgt. Dadurch wird eine Verzögerung der Kondensation der Dampfblase erreicht, ohne daß eine neue Dampfblase erzeugt wird, die ihrerseits zum Ausstoß eines weiteren Tropfens führen würde.
  • Um die gewünschte Verzögerung beim Zusammenfallen der Dampfblase zu erreichen, ist es aber auch möglich, mehrere Nachheizimpulse gleicher Amplitude anzulegen.

Claims (1)

  1. Verfahren zum Betreiben einer nach dem Thermalwandler-Prinzip arbeiterenden Tintenschreibeinrichtung, wobei
    - mittels Stromimpulsen (26) durch in Tintenkanälen (12) eines Tintenschreibkopfes (10) angeordnete elektrothermische Wandlerelemente (16) Tintenflüssigkeit (23) lokal bis zur Verdampfung erhitzt wird,
    - durch die dabei entstehende Tintendampfblase (28) im Tintenkanal (12) kurzzeitig ein hoher Druck erzeugt wird, der einen Ausstoß eines Tintentropfens (24) aus den die Tintenkanäle (12) abschließenden Austrittsdüsen (14) bewirkt,
    - der beim anschließenden Zusammenfallen der Tintendampfblase (28) herrschende Unterdruck Tintenflüssigkeit (23) aus dem Tintenkanal (12) nachsaugt und Tintenflüssigkeit (23) aus den Austrittsdüsen (14) zurückzieht und
    - der beim Zusammentreffen der beiden Flüssigkeitsfronten im Tintenkanal (12) und in der Austrittsdüse (14) auftretende Überdruck derart abgebaut wird, daß die Kondensation der Tintendampfblase (28) durch vermehrte Wärmezufuhr an das Wandlerelement (16) verzögert und dadurch nach erfolgtem Ausstoß des Tintentropfens (24) kein weiterer, ungewollter Tintentropfen (25) ausgestoßen wird und
    - die vermehrte Wärmezufuhr an das Wandlerelement (16) durch mindestens einen, dem die Verdampfung auslösenden Stromimpuls (26) folgenden Nachheizimpuls (27) erfolgt,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Nachheizimpuls eine gleiche Amplitude wie der Stromimpuls hat.
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