DE3012698C2 - - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein Verfahren dieser Art ist aus der nicht vorveröffent
lichten DE 29 43 164 A1 bekannt. In dieser Druckschrift ist
ein Verfahren zum Ausstoßen von Flüssigkeitströpfchen aus
einer einer Flüssigkeitskammer zugeordneten Düsenöffnung
beschrieben. Den Flüssigkeitskammern sind Widerstandsheiz
elemente zugeordnet, an die ein impulsförmiges elektrisches
Signal angelegt wird, wenn ein Flüssigkeitströpfchen ausge
stoßen werden soll. Bei Anlegen eines derartigen Signals an
ein Widerstandsheizelement wird der Energieinhalt des
Signals in Wärmeenergie umgesetzt. Dies hat zur Folge, daß
sich am Widerstandsheizelement eine dich rasch ausdehnende
Blase bildet, die das Ausstoßen eines Flüssigkeitströpf
chens aus der Düsenöffnung bewirkt.
Es ist eine verbesserte und schnellere Aufzeichnung erziel
bar, wenn die auszustoßende Flüssigkeit vorerwärmt wird. Zu
diesem Zweck sind in der Flüssigkeitskammer oder um die
Flüssigkeitskammer herum gesonderte Vorheizeinrichtungen
vorgesehen, mittels denen die Flüssigkeit auf eine vorbe
stimmte, mittels einer Temperaturfühlereinrichtung über
wachte Temperatur erwärmt wird.
Dieses bekannte Verfahren hat den Nachteil, daß ein Auf
zeichnungskopf verwendet werden muß, der infolge seines
komplizierten Aufbaus relativ große Abstände zwischen be
nachbarten Düsenöffnungen aufweist und folglich nur bedingt
für Aufzeichnungen mit hoher Geschwindigkeit geeignet ist.
In der US-PS 31 79 042 ist ein Tintenstrahldrucker be
schrieben, bei dem der Tintenausstoß ebenfalls durch eine
sich in der Tinte bildende Blase bewirkt wird. Die zur Er
zeugung der Blase erforderliche Wärme wird jedoch nicht
durch separate Widerstandsheizelemente, sondern durch einen
direkt durch die Tinte fließenden Strom erzeugt. Zu diesem
Zweck sind in der mit der Düsenöffnung in Verbindung ste
henden Flüssigkeitskammer zwei Elektroden vorgesehen. An
die Elektroden wird, wenn ein Tintentröpfchen ausgestoßen
werden soll, eine Spannung angelegt, die einen Stromfluß
durch die zwischen den Elektroden befindliche Tinte be
wirkt. Hierbei erhitzt sich die Tinte und bildet Blasen,
welche ihrerseits den Ausstoß von Tintentröpfchen durch die
Düsenöffnung bewirken. Um den Strom, der zu diesem Zweck
durch die zwischen den Elektroden befindliche Tinte fließen
muß, auf ein Minimum zu reduzieren, wird die Tinte mittels
einer in einem Tintenvorratsbehälter vorgesehenen Heizein
richtung auf eine nahe dem Siedepunkt liegende Temperatur
vorerwärmt.
Auch dieser Aufzeichnungskopf ist relativ kompliziert auf
gebaut und ist daher ebenfalls nicht für eine Aufzeichnung
mit hoher Geschwindigkeit geeignet.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu
grunde, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Pa
tentanspruchs 1 derart weiterzubilden, daß auf einfache
Weise eine sehr hohe Aufzeichnungsgeschwindigkeit erzielbar
ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeich
nenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale ge
löst.
Demnach werden das Widerstandsheizelement für den Ausstoß
der Flüssigkeitströpfchen und das Heizelement zum Vorheizen
der Aufzeichnungsflüssigkeit durch ein- und dasselbe Ele
ment gebildet, und das Signal zur Ansteuerung dieses Ele
ments weist einen ersten und einen zweiten Impulsbereich
auf, wobei die sich aus Impulsamplitude und Impulsdauer des
ersten Impulsbereichs ergebende Energie zur Bildung einer
flüssigkeitsausstoßenden Dampfblase nicht ausreicht und zur
Vorerwärmung der Aufzeichnungsflüssigkeit dient, und wobei
der zweite Impulsbereich einen gegenüber dem ersten Impuls
bereich unterschiedlichen Signalverlauf besitzt, dessen aus
Impulsamplitude und Impulsdauer gebildeter Energieinhalt
zur Bildung einer flüssigkeitsausstoßenden Dampfblase
führt.
Die Vorerwärmung der Flüssigkeit macht es möglich, daß der
zum Flüssigkeitsausstoß dienende, zweite Impulsbereich sehr
kurz sein kann; die erzielbare Tröpfchenausstoß-Frequenz
ist daher sehr hoch.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Vorerwärmung der auszu
stoßenden Flüssigkeit ermöglicht es, daß auf das Vorsehen
zusätzlicher Heizeinrichtungen, Temperaturfühler und der
gleichen im Aufzeichnungskopf verzichtet werden kann. Die
vergleichsweise geringen Anforderungen an den Aufbau des
Aufzeichnungskopfs und die trotz Vorerwärmung der Flüssig
keit relativ geringe Wärmeentwicklung im Aufzeichnungskopf
erlauben es, daß eine Vielzahl von Düsenöffnungen sehr
dicht nebeneinander angeordnet werden kann. Die Anwendung
des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem derartigen Auf
zeichnungskopf ermöglicht die Herstellung von Aufzeich
nungen mit äußerst hoher Geschwindigkeit.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand
der Unteransprüche.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungs
beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher
erläutert.
Fig. 1, 2 und 3 sind erläuternde schematische
Ansichten, die das Arbeitsprinzip bei der
Tröpfchenerzeugung zeigen.
Fig. 4 ist ein Kurvenformdiagramm, das unterschied
liche Steuersignale zeigt.
Fig. 5 zeigt schematisch den Aufbau eines Tröpfchen
ausstoß-Kopfes.
In der Fig. 1 ist in schematischer Ansicht das
Prinzip des Tröpfchenausstoßes mittels eines Flüssigkeitströpfchen-Aufzeichnungskopfs bzw. Tröpfchen
ausstoß-Kopfs gezeigt.
Eine im Ausstoßkopf vorgesehene Flüssigkeitskammer
W wird mit Flüssigkeit bzw. Tinte IK gespeist. Auf den
Empfang eines Ansteuerungs- bzw. Steuersignals hin
beginnt ein Temperaturanstieg eines Heizelements
H1. Das Heizelement H1 weist eine Breite Δl auf und ist in einem Abstand
l von einer Düsenöffnung OF angeordnet. Wenn das
Heizelement H1 eine Temperatur oberhalb des Verdampfungs
punkts der in einem Kammerteil W1
enthaltenen Flüssigkeit erreicht, wird an dem Heizelement
H1 ein Bläschen B erzeugt. Mit dem Anstieg der Tempe
ratur des Heizelements H1 vergrößert sich schnell das
Volumen des Bläschens B. Als Folge davon steigt der
Druck in dem Kammerteil W1 schnell an, so daß die in
dem Kammerteil W1 vorhandene Flüssigkeit schnell in Rich
tung zu der Düsenöffnung OF und in Gegenrichtung in einem
Ausmaß verdrängt wird, das gleich der Volumensteigerung
des erzeugten Bläschens B ist. Folglich wird ein Teil der
in dem Abschnitt der Strecke 1
(Kammer W) vorhandenen Flüssigkeit aus der Düsenöffnung OF
ausgestoßen. Die ausgestoßene Flüssigkeit bildet eine
Flüssigkeitssäule, deren vorderes Ende die bis zum Ab
schluß ihres Anwachsens zugeführte kinetische Energie
sammelt. Falls das Bläschen B gegen die Decke der Flüssig
keitskammer W bzw. des Kammerteils W1 stößt, wird die
Stoßkraft in Längsrichtung umgelenkt, so daß die Tröpfchen-
Vortriebskraft gesteigert wird.
Auf die Beendigung des Steuersignals hin, das dem
Heizelement H1 zugeführt wird, beginnt dessen Temperatur
allmählich abzusinken, wodurch an dem Bläschen B unter
einer geringfügigen Zeitverzögerung eine Volumenverringe
rung beginnt. Zugleich mit der Volumenverringerung
wird von der Düsenöffnung OF her sowie von der Gegenrich
tung her wieder Flüssigkeit in dem Bereich der Strecke
Δl bzw. des Kammerteils W1 eingefüllt. Auf diese Weise
wird die in der Nähe der Düsenöffnung OF vorhandene Flüs
sigkeit in die Kammer W zurückgezogen, so daß die kineti
sche Energie des vorderen Endteils der Flüssigkeitssäule
zu derjenigen des der Düsenöffnung OF nahen Teils der
Flüssigkeitssäule entgegengesetzt gerichtet ist. Auf diese
Weise wird der vordere Endteil von der Flüssigkeitssäule
abgesondert und bildet ein kleines Tröpfchen ID, das
zu einem Material PP hin fliegt und dort an einer vorbe
stimmten Stelle abgelagert wird. Das Bläschen B an dem
Heizelement H1 verschwindet allmählich durch die Wärme
abfuhr. Die allmähliche Auslöschung bzw. Beseitigung des
Bläschens B bewirkt ein langsames Zurückziehen einer
Flüssigkeits-Kuppe bzw. eines Meniskus IM an der Düsen
öffnung. Damit ist es möglich, Schwierigkeiten
infolge eines Ausfalls des nachfolgenden Tröpfchenausstoßes
auszuschalten (eine übermäßig schnelle
Meniskus-Zurückziehen hat zur Folge, daß durch den
zerstörten Meniskus bzw. dessen Fläche
Luft eingeführt wird). Die Stelle der Bläschenerzeugung
muß in geeigneter Weise gewählt werden, da dann, wenn
die Stelle zu nahe an der Düsenöffnung OF liegt, das
Bläschen selbst gleichfalls aus der Düsenöffnung OF
ausgestoßen wird und das Tröpfchen ID zerstört, während
ein zu weit von der Düsenöffnung OF entfernt erzeugtes
Bläschen keinen Tröpfchenausstoß herbeiführen kann.
Die allmähliche Zusammenziehung bzw. Verringerung des
Bläschens B wird durch Wärmeabfuhr an dem Heizelement,
dem Bläschen oder der Flüssigkeit, durch Kondensation
in den Flüssigkeitszustand, durch kapillare Flüssigkeits
zufuhr oder durch aus diesen Vorgängen kombinierte Vor
gänge herbeigeführt.
Die Ausmaße des aus der Düsenöffnung OF ausgestoßenen
Tröpfchens ID hängen von den Parametern der Einrichtung
wie der Menge zugeführter Energie, der Breite Δl des
Energiezufuhr-Teils, dem Innendurchmesser d der Flüssig
keitskammer W, dem Abstand 1 von der Düsenöffnung OF
bis zu dem Heizelement H1 usw. sowie von den physikali
schen Eigenschaften der Flüssigkeit IK wie der spezifi
schen Wärme, der Wärmeleitfähigkeit, dem Wärmeausdehnungs
koeffizienten, der Viskosität usw. ab. Anstelle des
Heizelements kann auch eine momentane Bestrahlung mit
einem Laserimpuls LZP eingesetzt werden, die auf gleich
artige Weise für den Tröpfchenausstoß eine plötzliche Er
zeugung und allmähliche Beseitigung des Bläschens B ver
ursacht. In diesem Fall kann das Element H1 an dem Ab
schnitt Δ1 bzw. dem Kammerteil W1 gewünschtenfalls als
Reflektor oder Wärmesammler zur Verbesserung der Wärme
erzeugung mittels des Laserimpulses LZP verwendet wer
den. Hinsichtlich der Flüssigkeit IK besteht nicht unbe
dingt eine Einschränkung auf eine Aufzeichnungsflüssig
keit; vielmehr können auch andere Flüssigkeiten wie
Wasser, Lösungen von Chemikalien oder Düngemitteln usw.
verwendet sein.
Die Fig. 2 zeigt schematisch den Ablauf des Flüssig
keitsausstoßes zu Zeitpunkten t0 bis
t9, wobei die Flüssigkeitskammer W, das Heizelement H1
und die Düsenöffnung OF gezeigt sind und die Flüssigkeit
IK durch Kapillarwirkung aus der Richtung P zugeführt
wird. Die Fig. 3(A) zeigt ein Beispiel für den Ansteuerungs
bzw. Steuerimpuls, wobei die Zeitpunkte t0 bis t9 jeweils
denjenigen in Fig. 2 entsprechen. Die Fig. 3(B) zeigt
die Temperaturänderung des Heizelements H1, während die
Fig. 3(C) die Volumensänderung des Bläschens B zeigt.
Der Zeitpunkt t0 stellt den Zustand vor dem Tröpfchenaus
stoß dar; zu einem Zeitpunkt tp zwischen den Zeitpunkten
t0 und t1 wird dem Heizelement H1 ein Steuerimpuls E
zugeführt. Gemäß der Darstellung beginnt gleichzeitig
mit dem Anlegen des Steuerimpulses E an dem Heizelement
H1 der Temperaturanstieg. Zu dem Zeitpunkt t1 erreicht
das Heizelement eine den Verdampfungspunkt der Flüssigkeit
IK übersteigende Temperatur, wodurch Bläschen B erscheinen
und der Meniskus IM entsprechend der Verdrängung der
Flüssigkeit IK durch die Bläschen B aus der Düsenöffnung
herausgetrieben wird. Zum Zeitpunkt t2 sind die Bläschen
B weiter entwickelt, so daß ein weiter vorstehender
Meniskus IM entsteht. Der Meniskus IM wird zu dem Zeit
punkt t3 weiter ausgedehnt, an dem gemäß der Darstellung
in Fig. 3(A) der Steuerimpuls E endet und gemäß der Dar
stellung in Fig. 3(B) das Heizelement H1 die höchste
Temperatur annimmt. Obgleich gemäß der Darstellung in
Fig. 3(B) die Temperatur des Heizelements H1 zu dem Zeit
punkt t4 schon abnimmt, erreicht zu diesem Zeitpunkt ge
mäß der Darstellung in Fig. 3(C) das Bläschen B das
größte Volumen, so daß der Meniskus IM noch stärker er
weitert ist. Zu dem Zeitpunkt t5 beginnt die Zusammen
ziehung des Bläschens B, so daß entsprechend der Volumens
verringerung des Bläschens B die Flüssigkeit IK aus
dem vorstehenden Abschnitt in die Flüssigkeitskammer W
zurückgezogen wird, wodurch der Meniskus IM eine
Einschnürung Q entwickelt. Zu dem Zeitpunkt t6 wird aufgrund
der weiter fortschreitenden Zusammenziehung des Bläschens
B das Tröpfchen ID von dem Meniskus IM′ abgesondert. Zu
dem Zeitpunkt t7 ist das Tröpfchen ID völlig ausgestoßen,
während sich aufgrund der fortgesetzten Zusammenziehung
des Bläschens B der Meniskus IM′ weiter der Fläche der
Düsenöffnung OF nähert. Zu dem Zeitpunkt t8, zu dem das
Bläschen B der Auslöschung bzw. Beseitigung nahe ist,
ist der Meniskus IM′ noch weiter in eine Lage an der Innen
seite der Düsenöffnung OF zurückgezogen. Zu dem Zeitpunkt
t9 ist die Flüssigkeit IK wieder nachgefüllt, so daß
der Ausgangszustand für den Zeitpunkt t0 eingenommen ist.
Aus dem vorstehenden ist ersichtlich, daß die Form
des dem Heizelement H1 zugeführten Steuersignals ein
bedeutender Faktor zur Erzielung eines beständigen Aus
stoßes der Flüssigkeit IK ist. Zur Tröpfchenabtrennung
ist auch die Zusammenziehung des Bläschens von Bedeutung,
die jedoch leicht durch die Form des Steuersignals ge
steuert werden kann. Ferner ist es durch die Form des
Steuersignals möglich, die Tröpfchenausstoß-Frequenz
zu steigern.
Die Fig. 4 zeigt verschiedene Beispiele von Steuer-
Signalen und dementsprechenden Temperaturänderungen an dem
Heizelement H1 sowie Volumensänderungen des Bläschens
Diese Steuersignal-Impulse ermöglichen einen zu
friedenstellenden Tröpfchenausstoß.
Die Kurvenform nach (a) ergibt eine Vorerwärmung
vor Beginn des Impulses, wodurch die Impulsbreite für den
Tröpfchenausstoß verringert wird. Mit dieser Kurvenform
wird eine schnelle Bläschenerzeugung erzielt, was hin
sichtlich einer Verbesserung der Ausstoßgeschwindigkeit
und der Ausstoßfrequenz wirkungsvoll ist. Ferner läßt
es das nur bei dem Tröpfchenausstoß vorgenommene Vorer
wärmen zu, eine übermäßige Erwärmung der Flüssigkeit zu
verhindern.
Die Kurvenform nach
(b) schließt eine allmähliche Wärmeabfuhr bzw. -vertei
lung ein, um damit eine gleichmäßige Tröpfchenablösung
herbeizuführen und danach ein übermäßiges Zurückziehen
des Meniskus zu verhindern; somit ist diese Kurvenform
geeignet, ohne Verringerung der Tröpfchengeschwindig
keit ein allmähliches Zurückziehen des Meniskus zu er
zielen.
Es ist also allein durch Steuerung
des Ansteuerungssignals, d. h. ohne Anwendung beispielsweise
eines externen hohen Widerstands möglich eine sehr allmählich
verlaufende Wärmeabfuhr an dem Heizelement sowie eine
gleichermaßen abklingende Bläschen-Zusammenziehung her
beizuführen und bei Empfang des nachfolgenden Ausstoß-
Befehlsimpulses einen Ausfall bzw. Mangel des Tröpfchen
ausstoßes aufgrund eines schnellen Zurückziehens des
Meniskus, durch das von der Düsenöffnung
her Luft eingeleitet wird, zu verhindern.
Die Erzeugung und Zusammenziehung des Bläschens
werden durch die Impulsbreite S
sowie die Impulsamplitude oder -höhe L des Steuersignals bestimmt.
Auch im Falle der Verwendung eines Festkörper-Lasers
ist es ziemlich einfach, die Intensität des Laserimpulses
zu steuern und den Kurvenformen nach (a) und (b) ähnliche
Kurvenformen zu erzielen, wodurch eine Steuerung der
Wärmeerzeugung bzw. des Bläschenzustands mittels des
Laser-Lichts erzielbar ist. Der nachfolgend verwendete
Ausdruck "Heizelement" schließt daher auch andere Wärme
erzeugungseinrichtungen wie Laserstrahlen oder Infrarot
strahlen ein.
Die Fig. 5 zeigt ein Beispiel für den Aufbau eines
Kopfes in einer schematischen, auseinandergezogen
dargestellten perspektivischen Ansicht, gemäß der ein
Substrat SS1 an seiner Oberfläche mit Heizelementen H1
bis H7, einer gemeinsamen Elektrode D1 und Wählelektroden
11 bis 17 versehen ist. Die Heizelemente 111 bis H7 haben
die gleiche Fläche und den gleichen Widerstand und sind
so angeordnet, daß sie jeweils mit Flüssigkeitskammern
übereinstimmen. Eine Platte GL1 ist mit einem Flüssigkeits
zufuhr-Einlaß 15, kleinen Nuten M1 bis M7, die die Flüs
sigkeitskammern bilden, und einer gemeinsamen Ausnehmung
ND für die Zufuhr der Flüssigkeit zu den Flüssigkeits
kammern versehen. Ferner ist die Nuten-Platte GL1 nötigen
falls an der Tröpfchenausstoß-Seite mit einer (nicht ge
zeigten) Düsenöffnungsplatte versehen. Die Platte GL1 ist
aus einer Glasplatte gebildet, die einem Ätzvorgang zur
Herstellung der gemeinsamen Ausnehmung ND und der Nuten
M1 bis M7 unterzogen wurde und welche mit dem Substrat
SS1 derart zusammengesetzt wird, daß dabei mehrere Flüssigkeitskammern
gebildet werden. Folglich werden die Nuten M1 bis
M7 so angesetzt, daß sie jeweils mit den Heizelementen
übereinstimmen. Die Heizelemente H1 bis H7 führen selektiv
eine Wärmeerzeugung mit einem Energiewert herbei der
dem Eingangssignalpegel entspricht.
Statt an dem Substrat SS1 die Heizelemente anzubringen ist es
auch möglich
das Substrat SS1 als einfachen Flüssigkeitshalter zu ver
wenden, wobei in diesem Fall ein an einer Führungsschiene
CG verschiebbar angebrachter Festkörperlaser wie beispiels
weise ein Halbleiter-Laserkopf LZH intermittierend oder
kontinuierlich so verschoben wird, daß durch die Platte
GL1 hindurch die Nuten selektiv mit Laserimpulsen LZP
einer vorbestimmten Länge bestrahlt werden. Ferner können
statt der Heizelemente mehrere Laserköpfe LZH fest ange
bracht werden.
Claims (3)
1. Verfahren zum Ausstoßen zumindest eines Flüssigkeits
tröpfchens aus einer einer Flüssigkeitskammer zugeordneten
Düsenöffnung eines Flüssigkeitströpfchen-Aufzeichnungskopfs
mit einem Widerstandsheizelement, das in der Flüssigkeits
kammer angeordnet ist und mit einem einen impulsförmigen
Signalverlauf besitzenden elektrischen Signal betrieben wird,
wobei der Energieinhalt des anliegenden Signals so in thermi
sche Energie umgesetzt wird, daß sich am Widerstandsheiz
element eine sich rasch ausdehnende Dampfblase bildet, die
das Ausstoßen eines Flüssigkeitströpfchens aus der Düsen
öffnung bewirkt, und mit einem Heizelement zum Vorheizen der
Aufzeichnungsflüssigkeit,
dadurch gekennzeichnet, daß
- a) das Widerstandsheizelement und das Heizelement zum Vor heizen der Aufzeichnungsflüssigkeit ein- und dasselbe Element sind,
- b) der impulsförmige Signalverlauf einen ersten Impulsbereich besitzt, dessen aus Impulsamplitude und Impulsdauer gebilde ter Energieinhalt zur Bildung einer flüssigkeitsausstoßenden Dampfblase nicht ausreicht und zur Vorerwärmung der Aufzeich nungsflüssigkeit dient, und
- c) der impulsförmige Signalverlauf einen gegenüber dem ersten Impulsbereich unterscheidbaren zweiten Impulsbereich besitzt, dessen aus Impulsamplitude und Impulsdauer gebildeter Ener gieinhalt zur Bildung einer flüssigkeitsausstoßenden Dampf blase führt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Energieinhalt des ersten Impulsbereichs kleiner als der des
zweiten Impulsbereichs ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Signalverlauf einen dritten Impulsbereich besitzt,
der gegenüber dem zweiten Impulsbereich unterscheidbar ist,
sich an diesen anschließt und ein allmähliches Zurückziehen
des Flüssigkeitsmeniskus im Bereich der Düsenöffnung bewirkt.
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