DE60033109T2

DE60033109T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Erreichen von gleichmässigen Tintentemperaturen in Druckköpfen

Info

Publication number: DE60033109T2
Application number: DE60033109T
Authority: DE
Inventors: Scott A. La Honda Elrod; Joy San Jose Roy; Richard G. Santa Cruz Stearns; John S. Los Altos Fitch
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1999-10-28
Filing date: 2000-10-26
Publication date: 2007-05-16
Anticipated expiration: 2020-10-27
Also published as: EP1095771B1; EP1095771A2; JP2001138507A; EP1095771A3; US6484975B1; DE60033109D1

Description

FELD DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Drucksysteme. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Verwendung räumlich kontrollierter Kühlprofile, um eine gleichförmige Temperatur der Tinte über die aktive Zone eines akustischen Druckkopfs zu erhalten.
HINTERGRUND
Da Computerprodukte ständig im Preis fallen, während ihre Leistung zunimmt, wird die Drucktechnologie durch die Notwendigkeit angetrieben, die Preise zu reduzieren, während die Druckerauflösung verbessert wird. Eine sich in der Entwicklung befindliche Technologie ist das akustische Tintendrucken (acoustic ink printing: AIP). AIP fokussiert akustische Energie, um Tropfen eines Fluids von einer freien Oberfläche auf ein Aufzeichnungsmedium auszustoßen. Das Fluid ist typischerweise Tinte, wenngleich bei spezialisierten Anwendungen das Fluid ein geschmolzenes Lötzinn, ein heiß schmelzendes Wachs, ein Farbfiltermaterial, ein Photolack, und verschiedene andere chemische und biologische Verbindungen sein kann.
Bei AIP-Anwendungen schließt ein Druckkopf Tropfenquellen ein, die Tropfen ausstoßen und auf einem Empfangsmedium in einer vorbestimmten kontrollierten Art ablegen. Jede Tropfenquelle schließt eine Tinten enthaltende Quelle und einen Wandler ein, der die Tinte anregt und das Ausstoßen der Tropfen aus Tinte aus der Quelle verursacht. Eine Vielzahl von Herstelltechniken, wie etwa Halbleiterverarbeitungstechniken, können verwendet werden, um die Wandler, die Quelle und die Schaltung auszubilden, die den Wandler antreibt.
Die 9 veranschaulicht eine Querschnittsansicht einer typischen Tropfenquelle 90 kurz nach dem Ausstoßen eines Tropfens 104 aus Markierungsfluid 108 und bevor sich eine Ausstülpung 112 auf einer freien Oberfläche 116 des Markierungsfluids 108 entspannt hat. Eine Radiofrequenzquelle (RF) 120 stellt eine RF-Antriebsenergie von ungefähr 100 bis 200 Megahertz (MHz) für ein Antriebselement, wie etwa einen Wandler 124 über die Bodenelektrode 128 und die Deckseitenelektrode 132 bereit. In einer Ausführung ist der Wandler ein piezoelektrischer Wandler. Die akustische Energie von dem Wandler läuft durch eine Basis 136 in eine akustische Linse 140. Die akustische Linse 140 ist häufig eine Fresnel-Linse, die die empfangene akustische Energie in einen fokussierten akustischen Strahl 138 fokussiert, der in einem kleinen Fokusgebiet nahe der freien Oberfläche 116 zusammenläuft. Wenn ausreichend akustische Energie geeignet auf der freien Oberfläche 116 fokussiert wird, wird eine Ausstülpung 112 ausgebildet und ein Tropfen 104 wird ausgestoßen. Eine eingehende Beschreibung einer Tropfenquelle oder „Tropfenejektor" wird in US-Patent Nr. 5,565,113 von Hadimioglu et al. mit dem Titel „Lithographically Defined Ejection Units", erteilt 15. Oktober 1996, bereitgestellt.
Ein typischer Druckkopf, wie etwa ein AIP Druckkopf, schließt Felder von Tropfenquellen ein. Eine strenge Kontrolle der Tropfengröße und Tropfengeschwindigkeit für jede Tropfenquelle ist wesentlich, um ein genaues Bild von hoher Auflösung zu erhalten. Änderungen in der Tropfengröße und/oder -geschwindigkeit von den Tropfenquellen auf dem gleichen Druckkopf verringern die Genauigkeit und Gleichförmigkeit der Bilder, die durch das AIP-System erzeugt werden. Daher sollten solche Änderungen minimiert werden.
EP 07736390 beschreibt eine Temperatursteuerung für eine Druckvorrichtung einschließlich der Merkmale des Druckkopfsystems, wie es im Oberbegriff von Anspruch 1 festgelegt ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung ein Druckkopfsystem insbesondere in Bezug auf Änderungen in der Tropfengröße und der Tropfengeschwindigkeit zu verbessern. Dieses Ziel wird durch Bereitstellen eines Druckkopfsystems gemäß Anspruch 1 und eines Verfahrens zum Verbessern der Ausgabe eines Druckkopfs zum Ausstoßen von Markierungsfluid gemäß Anspruch 7 erreicht. Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen niedergelegt.
Um mit einem akustischen Tintendrucker (AIP) ein Bild von hoher Qualität zu erzeugen, sollte jede Tropfenquelle auf dem AIP-Druckkopf so aufgebaut sein, dass diese Tropfen von gleichförmiger Größe und Geschwindigkeit ausgibt. Es wurde herausgefunden, dass, wenn Tinte durch den Druckkopf hindurch von einem Tintenvorrat oder „Quelle" zu einem Tintenauslass oder „Senke" fließt, die Tinte Leistung von den vielen Wandler absorbiert, die über einen Druckkopf verteilt sind. Die absorbierte Leistung erhitzt die Tinte und erzeugt eine ungleichmäßige Temperaturverteilung in der Tinte. Ungleichmäßige Tintentemperaturen bedingen die Ausgabe von nicht gleichförmigen Tropfengrößen und -geschwindigkeiten. Insbesondere bewirkt wärmere Tinte an den Tropfenquellen nahe des Tintenauslasses in der Ausgabe von größeren Tropfen und höheren Tropfengeschwindigkeiten verglichen mit der Ausgabe von Tropfen durch Tropfenquellen, die über den Druckkopf hinweg nahe der Tintenquelle angeordnet sind. Die wärmere Tinte nahe dem Tintenauslass resultiert von Energie der Wandlerenergie, die sowohl akustisch als auch thermisch durch die Tinte absorbiert wird, während diese von dem Tintenvorrat zu dem Auslass fließt. AIP-Druckköpfe, die beheizt werden, um phasenändernde Tinten auszustoßen, sind besonders empfindlich für diese Effekte aufgrund der relativ hohen Viskosität (4 bis 20 cp) derselben, die eine hohe Leistungsdissipation, verglichen mit wässrigen Tinten bedingen. Die nicht gleichmäßigen Tropfengrößen und -geschwindigkeiten verschlechtern die Qualität.
Um gleichförmige Tropfengrößen und -geschwindigkeiten aus unterschiedlichen Tropfenquelle, die über einen AIP-Druckkopf verteilt sind, zu erzeugen, wird ein System für die Einhaltung der Gleichförmigkeit der Tintentemperatur über den Druckkopf beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine vollständigere Würdigung der Erfindung wird sofort erreicht und verstanden durch Bezug auf die nachfolgende eingehende Beschreibung und die beiliegenden Zeichnungen.
1 veranschaulicht eine Seitenansicht eines Beispiels eines Druckkopfs.
2 veranschaulicht eine Draufsicht eines Beispiels eines Druckkopfs.
3 veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines Systems, das ein Elastomer von veränderlicher Dicke verwendet, um die Temperatur der Tinte, die über den AIP-Druckkopf hinweg fließt, konstant zu halten.
4 veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines Systems, das einen Kanal von veränderlicher Breite verwendet, der ein Kühlfluid trägt, um die Temperatur der Tinte, die über einen AIP-Druckkopf hinweg fließt, konstant zu halten.
5 ist eine grafische Darstellung des maximalen Temperaturunterschieds der Tinte über einen Druckkopf hinweg, als eine Funktion von verschiedenen Kühlkonstanten, die auf eine Rückseite des Druckkopfs angewandt werden.
6 veranschaulicht ein typisches Kanalprofil für das System der 3, um eine bestimmte Temperatur über einen Druckkopf hinweg zu erhalten.
7 veranschaulicht die Verwendung eines verteilten Luftflusses, um eine konstante Temperatur über den Druckkopf hinweg aufrechtzuerhalten.
8 veranschaulicht eine Draufsicht auf Öffnungen, die verwendet werden können, um einen Luftfluss zu verteilen.
9 veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines akustischen Tropfenejektors, der gezeigt wird, wie er einen Tropfenmarkierungsfluid nach dem Stand der Technik ausstößt.
EINGEHENDE BESCHREIBUNG
2 veranschaulicht eine Unterseitenansicht 200 und 1 ist eine Seitenansicht 250 eines Druckkopfs. In der in 1 veranschaulichten Ausführung ist eine Metallplatte 204 über einer Glasschicht 208 aufgebaut. Ein erster Durchbruch 210 dient als eine Tintenquelle. Die Tinte fließt von dem ersten Durchbruch 210 zu einem zweiten Durchbruch 212, der als ein Tintenauslass dient. Der Tintenfluss von dem ersten Durchbruch 210 zu dem zweiten Durchbruch 212 wird durch eine Druckdifferenz zwischen den zwei Durchbrüchen aufrechterhalten. Die Geschwindigkeit des Tintenflusses von dem ersten Durchbruch 210 zu dem zweiten Durchbruch 212 ist durch den Abstand zwischen der Platte 204 und dem Glas 280, den Druckunterschied entlang des Tintenflusses und ebenso durch Eigenschaften der Tinte 244, wie etwa Viskosität, festgelegt.
Wenn Tinte 224 sich von der Tintenquelle wie etwa dem ersten Durchbruch 210 zu einem Tintenauslass, wie etwa dem zweiten Durchbruch 212 bewegt, unterliegt die Tintenkopfstruktur und die Tinte der Erwärmung durch akustische Energie und RF-Verluste (nachfolgend zusammenfassend als Erwärmung bezeichnet). Die Erwärmung findet in den Wandlern 228, 232, 236, 240, 244 und ebenso durch akustische Dissipation in der Glasschicht 208 und durch die Tinte statt. Erwärmen der Tinte kann ebenso durch thermische Energie stattfinden, die durch die Wandler selbst durch Widerstand oder andere Verluste erzeugt wird. Die thermische Energie kann sich ebenso durch die Glasschicht 208 übertragen. Wenn keine Kompensation stattfindet, bedingt der Aufheizeffekt eine wärmere Tinte nahe dem Tintenauslass und eine kältere Tinte nahe der Tintenquelle.
Bei der Verwendung von wässrigen Tinten von geringer Viskosität können die Temperaturunterschiede durch Aufrechterhaltung einer hohen Tintengeschwindigkeit zwischen der Tintenquelle und dem Tintenauslass minimiert werden. Wenn jedoch viskosere Fluide, wie etwa phasenändernde Tinten verwendet werden, kann eine derartig hohe Geschwindigkeit nicht erreicht werden. Versuche, die die Tintengeschwindigkeit durch Vergrößern des Druckunterschiedes zwischen der Tintenquelle und dem Tintenauslass zu vergrößern, bedingen unakzeptable Unterschiede in der Meniskus-Position 254, 258 an den Tropfenquellen 216, 220, wie in 1 veranschaulicht. Der Meniskus 254 ist die freie Oberfläche der Tinte in der Öffnung 216. Die Form des Meniskus wird durch den Druck in der Tinte und in der Luft, und durch die Eigenschaften der Tinte, der Luft und der Platte 208 bestimmt. Große Unterschiede im Meniskus beeinflussen die Gleichförmigkeit der Tropfen, die von den Tropfenquellen 216, 220 ausgegeben werden, ungünstig.
Um eine konsistente Meniskusgröße und Tintengeschwindigkeit für eine phasenändernde Tinte aufrechtzuerhalten, wird der mittlere Druck der Tinte 224 ungefähr 3 Torr unterhalb des atmosphärischen Druckes gehalten. Der tatsächliche Druck liegt im Bereich von ungefähr 1,7 Torr unterhalb des atmosphärischen Druckes nahe der Tropfenquelle 216, die der Tintenquelle am nächsten ist, bis zu einem Druck von ungefähr 4,3 Torr unterhalb des atmosphärischen Druckes bei der Tropfenquelle 220, die dem Tintenauslass am nächsten ist. Die Strömungsrate einer typischen, phasenändernden Tinte ist ungefähr 18 bis 35 Millimeter pro Minute pro Inch der Druckkopflänge. Die nachstehend beschriebene Kühlvorrichtung 260 minimiert die Temperaturdifferenz in der Tinte 224.
Die 3 veranschaulicht einen Druckkopf 300, der eine Wärmesenke 342 als eine Ausführung der vorstehend erwähnten Kühlvorrichtung verwendet. Der Druckkopf 300 schließt ein Elastomer 304 von veränderlicher Dicke ein, das mit der Wärmesenke 342 verbunden ist, um die Tinte 308 über der Glasschicht 208 bei einer konstanten Temperatur zu halten. Die Tinte 308 fliesst von einer Tintenquelle 316 an einem ersten Ende des Druckkopfs 300 zu einem Tintenauslass 318, der an einem zweiten Ende des Druckkopfs angeordnet ist.
Eine Folge von Fresnel-Linsen, sind auf einem Glassubstrat wie etwa der Glasschicht 208 aufgebracht und gemustert. Die Fresnel-Linsen empfangen Energie von entsprechenden Wandlern 228, 232, 236, 240, 244, die ebenso auf einer Glasschicht 208 ange bracht sind. Eine Brücke 327 schließt Drähte ein, die das Wandlerfeld zu einer Treiberelektronik (nicht gezeigt) verbinden.
Wenn die Treiberelektronik feststellt, dass ein Tropfen ausgestoßen werden muss, veranlasst die Treiberelektronik, dass ein entsprechender Wandler vibriert. Jeder vibrierende Wandler, wie etwa der Wandler 228 erzeugt Wellen 326, die sich durch die Glasschicht 208 ausbreiten. Eine Fresnel-Linse 320 fokussiert die Wellen. Die Wellen fokussieren sich zu einem Punkt und stoßen einen Tintentropfen von der Tintenoberfläche innerhalb einer Öffnung wie etwa der Öffnung 328 aus. Ein Teil der akustischen Energie wird durch die Tinte 308 absorbiert. Die absorbierte Energie erwärmt die Tinte.
In einer Ausführung der Erfindung ist die Tinte eine phasenändernde Tinte. Erwärmungseffekte sind besonders ungünstig bei phasenändernden Tinten, weil die niedrigen maximalen Strömungsraten von ungefähr 18–35 Millimeter pro Minute pro Inch der Druckkopflänge über das Glas 312 hinweg kein schnelles Entfernen der erwärmten Tinte ermöglichen. Die geringen Strömungsraten sind durch die hohe Viskosität (4–20 cp) und geringe Oberflächenspannung (20–30 Dyne/cm) der phasenändernden Tinten bedingt. Die hohe Viskosität bedingt ebenso höhere Wellenabschwächungen und daher höhere Leistungsabsorption der akustischen Energie. Höhere Leistungsabsorption vergrößert die Tintenerwärmung. Die Kombination der höheren Tintenerwärmung und niedriger Strömungsraten macht die Erfindung besonders nützlich, wenn phasenändernde Tinten in einem Druckkopf verwendet werden, wenngleich anzumerken ist, dass die Erfindung ebenso für wässrige Tinten wie auch andere abzuscheidende Materialien anwendbar ist, die Eigenschaften ändern, wie etwa die Viskosität abhängig von der Temperatur.
Wenn eine Wärmesenke verwendet wird, koppelt das Elastomer 304 die Glasschicht 208 thermisch mit der Wärmesenke 342. Das Elastomer ist typischerweise ein elektrischer Isolator und stellt daher eine schützende Passivierungsschicht für die Drahtverbindungen und die Wandler bereit. Ein Beispiel für ein derartiges Elastomer ist Slygard 165, hergestellt von Dow Corning Corp. Die Dicke des Elastomers wird als ein „z-Parameter 344" angegeben. Die Dicke oder „z" bestimmt den effektiven Kühlungsparameter h_eff der Kombination von Wärmesenke 324 und Elastomer 304. In einer ersten Ordnung ist der Kühlparameter h_eff proportional zu der thermischen Leitfähigkeit „K" des Elastomers geteilt durch die Dicke „Z" des Elastomers.
Durch Einstellen der Dicke des Elastomers wird die Kühlungseffektivität der Kombination der Wärmesenke 342 und des Elastomers so eingestellt, dass die Erwärmung über den Druckkopf hinweg ausgeglichen wird. Wenn der Wärmeverlust von dem aktiven Gebiet des Druckkopfs zu der Umgebung gleichförmig ist, und wenn die Wandler über den Druckkopf hinweg die Tinte gleichmäßig erwärmen, dann ist der ideale z-Parameter eine Konstante. Die meisten Druckköpfe verlieren jedoch Wärme in einer lateralen Richtung angedeutet durch die Pfeile 345. Diese natürlichen, thermischen Verluste von den Rändern des Druckkopfs verringern das Ausmaß der Kühlung, die nahe dem Rand der Glasschicht 208 benötigt wird. Um den Kühlungsparameter h_eff nahe dem Rand der Glasschicht 208 zu reduzieren, wird der z-Parameter nahe dem Rand der Glasschicht 208 vergrößert um, einen konvexen Wärmesenkenboden zu erzeugen. Ein angenähertes z-Profil ist durch die gestrichelte Linie 362 veranschaulicht. Eine eingehendere Erörterung des Kühlungsparameters h_eff wird bei der Erörterung in Zusammenhang mit der 5 bereitgestellt.
Die 4 veranschaulicht eine Ausführung der Erfindung, die ein flüssiges Kühlmittel anstelle der Wärmesenke verwendet, um eine konstante Tintentemperatur über den AIP-Druckknopf zu erreichen. Wie hier verwendet, kann ein Fluid entweder eine Flüssigkeit oder ein Gas sein. In 4 tritt das Kühlfluid 404 in den Kühlmitteleinlass 408 und fließt entlang einer Kühlleitung oder -kanal 412, bevor diese den Druckkopf durch den Kühlauslass 416 verlässt. In der veranschaulichten Ausführungsform ist eine Seite des Kühlkanals 412, eine Rückseite der Glasschicht 420, dieselbe Fläche auf denen die Wandler 424 angebracht sind. Tinte fließt über eine entgegengesetzte oder Tintentropfenseite 428 der Glasschicht 420.
Rückseitige Elektroniken, einschließlich der Brücke 432 können entlang dem Weg der Fluidströmung verteilt sind. Wie vorher angemerkt, schließt die Brücke 423 typischerweise Drähte und Kontaktpunkte ein, die die Wandler 424 mit der Kontrollelektronik verbinden. Um elektrische Probleme zu vermeiden, ist das ausgewählte Kühlmittel ein inertes Material, das die rückseitigen Elektroniken und die Wandler nicht angreift. Ein Beispiel für ein derartiges Kühlmittel ist Fluorinert, hergestellt durch 3M Corp. of St. Paul, Minnesota.
Wenn ein Kühlfluid über eine wärmere Oberfläche läuft, kühlt das Kühlfluid die Fläche proportional zur Temperaturdifferenz zwischen der wärmeren Fläche und dem kälteren Kühlmittelfluid. Wenn diese Temperaturdifferenz abnimmt, wird das Kühlpotential reduziert. Wenn andere Parameter konstant gehalten werden, ist die Kühlungseffektivität proportional zu dem Kühlpotential. Nahe dem Kühlmitteleinlass 408 weist das Kühlmittel ein maximales Kühlpotential auf. Wenn das Kühlmittel entlang Kanal 412 fließt, wächst jedoch eine warme Grenzschicht von der warmen Oberfläche her auf. Nahe dem Kühlmittelauslass 416 ist das Kühlmittel am Wärmsten und das Kühlpotential bei einem Minimum.
Um das Kühlmittelpotential aufgrund der Kühlmittelerwärmung und einer vergrößerten Grenzschicht auszugleichen, wird die Kühlmittelgeschwindigkeit erhöht, während dieses durch den Kanal 412 läuft. Eine Vergrößerung der Kühlmittelgeschwindigkeit wird durch Verengung der Querschnittsfläche des Kühlkanals 412 erreicht. Eine Vergrößerung der Kühlmittelgeschwindigkeit vergrößert den Wärmeübertragungskoeffizienten h_eff des Kühlmittels. Die Rate, mit der sich der Kühlkanal 412 verengt, wird derart ausgewählt, dass die Zunahme der Geschwindigkeit des Kühlmittels die erhöhte Temperatur des Kühlmittels und den erhöhten Grenzschichtaufbau ausgleichen, um eine nahezu gleichförmige Abkühlung der Flächen zu erreichen, wodurch eine ungefähr isotherme Fläche über eine Rückseite erreicht wird. Ein genaueres Profil des Kühlmittelkanals wird mit Bezug auf 6 erörtert.
Die 5 ist eine graphische Darstellung, die den Temperaturunterschied (delta T) der Tinte zwischen der Tintenquelle und dem Tintenauslass als eine Funktion eines Kühlkoeffizienten (h_eff in Watt pro Quadratzentimeter pro Grad Kelvin) veranschaulicht, der auf eine Rückseite des Druckkopfs angewandt wird. Die Kurve 504 zeigt den Unterschied in der mittleren Temperatur zwischen dem Einlaß und dem Auslaß der aktiven Ejektorzone. Die mittlere Temperatur ist der integrierte Mittelwert der Temperatur durch die Tintenschicht. Die Kurve 508 zeigt den Temperaturunterschied für die Oberfläche der Tintenströmung nahe den Meniskuspositionen 254, 258. Die in 5 bereitgestellten Kurven sind veranschaulichend, wobei tatsächliche Kurven in Abhängigkeit von einer Anzahl von Faktoren, einschließlich der Temperatur der Tinte, der Rate der Tintenströmung und der Dissipation der Leistung in der Tintenströmung variieren können. In dem veranschaulichten Beispiel beträgt die Tintentemperatur ungefähr 150 Grad Celsius, die dissipierte Leistung ist ungefähr 12 Watt und die Tintengeschwindigkeit beträgt ungefähr 3,65 cm/sek.
Um eine gleichmäßige Tropfenausgabe aus dem Druckkopf zu erhalten, sollte der Tintentemperaturunterschied über den Druckkopf hinweg so nah wie möglich bei Null sein. In dem Beispiel der 5 erreicht die Kurve 504 eine Temperaturdifferenz von Null, wenn h_eff ungefähr 0,03 Watt/cm²K ist, während die Kurve 508 die Temperaturdifferenz von Null erreicht, wenn h_eff ungefähr 0,02 Watt/cm²K ist. Daher beträgt ein gewünschter Wert für die Kühlungskonstante h_eff unter den besonderen, beschriebenen Bedingungen zwischen 0,02 und 0,03 Watt/cm²K.
Die 6 zeigt ein Beispiel eines detaillierten Kanalprofils für eine Ausführung des Fluidkühlungssystems der 4. Die Kanalhöhe „z" in Meter ist entlang der vertikalen Achse 602 der 6 aufgetragen. Die horizontale Achse 604 zeigt den Abstand von dem Eintrittspunkt des Kühlfluids. In dem veranschaulichten Beispiel, ändert die Form des Kanals die Strömungsgeschwindigkeit und daher „h" derart, dass die sich ergebende Oberflächentemperatur konstant ist. In diesem Beispiel ist die resultierende Wandtemperatur 168 Grad Celsius und die höchste Kühlgeschwindigkeit ist ungefähr 60 cm/sek. Die Veranschaulichung der 6 ist für einen bestimmten Satz von Spezifikationen und wird ausschließlich als ein Beispiel angegeben. Änderungen in den Parametern werden das Kanalprofil verändern.
Die 7 und 8 zeigen alternative Systeme zum Kühlen der Rückfläche eines Druckkopfs. In der 7 werden Fluidströmungen, typischerweise Luft, verwendet, um eine konstante Temperatur über den Druckkopf hinweg zu erhalten. Das System der Düsen 702, 704, 706 verteilt Fluid, typischerweise eine Kühlgas wie etwa Helium oder eine Flüssigkeit, über die Rückseite eines Druckkopfs 708. Die Strahlen verlassen die Kammer 710 durch Öffnungen in einer Düsenplatte 712. In der veranschaulichten Ausführung schließt die Düsenplatte Düsen oder Öffnungen 714 ein, die es Luft ermöglichen, aus der Kammer 710 in einer kleinen Anzahl von getrennten Strahlen auszutreten. In einer alternativen Ausführung kann die Düsenplatte aus einem porösen Material bestehen, um eine diffuse Luftströmung zu ermöglichen. Beispiele für geeignete poröse Materialien schließen Cordiorite von Corning oder gesintertes Metall ein.
Das Muster der Düsen von der Kammer 710 kann über die Düsenplatte variiert werden, um Änderungen in den Drucken und Temperaturen des Kühlfluids zu berücksichtigen. In der veranschaulichten Ausführung richtet die Düsenplatte Strahlungen wie etwa Luftstrahl 706 aus, so dass diese bei einem nichtrechtwinkligen Einfallswinkel auf die Druckkopfrückfläche auftreffen. Der nichtrechtwinklige Einfall erhöht die Kühlungseffektivität des Luftstromes.
Typischerweise wird ein Kühlsystem so aufgebaut, dass es eine mittlere oder eine mediane Rate der Tropfenausgabe ausgleicht. Das Drucken eines dunkeln Bildes kann jedoch die Anzahl der benötigten Tropfen erhöhen, was eine lokalisierte Vergrößerung in der Wandleraktivität und eine entsprechende Vergrößerung in der lokalen Erwärmung bedingt. Um die erhöhte Erwärmung auszugleichen, kann es notwendig sein, die Kühleffizienzen zu vergrößern.
In einer Implementierung der Erfindung kann die Kammer 710 als eine Baugruppe oder Gehäuse für Versorgungselektroniken, wie etwa die Elektroniken 722 dienen. Wie gezeigt, können die Elektroniken 722 die Treiberelektronik für die Wandler des AIP-Druckkopfs einschließen. Der Pogo-Stift 726 veranschaulicht ein Verfahren zur Verbindung der Elektroniken 722 mit den Wandlern.
Ein Verfahren zur Feststellung, wann vergrößerte Kühleffizienzen notwendig sind, besteht darin, die Wandleraktivität zu überwachen. Um erhöhte Wandleraktivität zu detektieren, schließt eine Ausführung der Erfindung die Komponente 724 ein, die den Datenstrom in einem Drucksignal empfängt und überprüft. Das Drucksignal teilt die Anzahl der Wandler mit, die aktiviert werden. Wenn hohe Anzahlen von Wandlern aktiviert werden, kann die Komponente 724 die Luftströmungen vergrößern oder die Düsen anpassen, um die zusätzlichen Kühlanforderungen zu erfüllen. In einer alternativen Ausführung wird der Datenstrom verwendet, um die Wandleraktivität vorherzusagen, bevor die Wandleraktivität tatsächlich stattfindet. Daraufhin kann der Kühlmittelfluss in Vorausschau auf die vergrößerte Wandleraktivität angepasst werden.
In einer Ausführung kann die Komponente 724 ein mikroelektromechanisches Ventil nahe der Düse sein, das sich weiter öffnet, um den Kühlmittelfluss zu vergrößern, wenn das Drucksignal anzeigt, dass mehr Wandler aktiviert werden. In einer alternativen Ausführung kann die Komponente 724 ein Heizer sein, der lokal die Kühlmitteltemperatur einstellt. In einem dritten Beispiel ist die Komponente 724 eine nichtelektrische Komponente, wie etwa ein Bimetallstreifen oder eine Legierung mit Formgedächtnis, die auf Temperatur reagiert.
Die 7 zeigt ein mögliche Position eines Bimetallstreifens 728 in enger Nachbarschaft zu einer Düse 730. Der Bimetallstreifen 728 absorbiert die Strahlungswärme von dem Druckkopf 708 und ändert entsprechend die Form oder Abmessungen. Die Änderungen verändern die Größe der Öffnung der Düse 730, um den Kühlmittelfluss von der Düse 730 zu ändern. In einer alternativen Ausführung kann der Bimetallstreifen 728 durch einen Temperatursensor und ein Rückkopplungssystem ersetzt werden, das das Ausmaß der benötigten Kühlung feststellt und dementsprechend dem Kühlmittelfluss anpasst.
Wenngleich die vorstehende Darstellung beschreibt, dass die Strahlen von der Kammer 710 übertragen oder „gestoßen" werden könnte die Luft in einer alternativen Ausführung in die Kammer 710 „gezogen" werden. Das Ziehen der Luft in die Kammer 710 erzeugt eine unterschiedliche Kühlungseffizienz, weil die Fluidgeschwindigkeiten und -temperaturen sich unterschiedlich verhalten, wenn das Fluid angezogen oder angesaugt wird, statt ausgestoßen oder ausgeblasen zu werden.
Verschiedene Luftdurchlassmuster können ebenso verwendet werden, um den Luftfluss zu ändern. In 8 ist beispielsweise das Luftdurchlassmuster 750 so aufgebaut, dass man erkennt, dass laterale Kühlung des Druckkopfs entlang der Richtung der Pfeile 754 die Kühlanforderungen entlang eines Umfangs des Druckkopfs verringert. Dementsprechend stellt eine größere Öffnung der Luftauslässe in der Mitte des Luftauslassmusters 750 einen vergrößerten Luftfluss in der Mitte und einen verkleinerten Luftfluss entlang des Umfang des Druckkopfs bereit.
Wenngleich die vorstehende Erörterung verwendet wurde, um die Kühlung eines Druckkopfs zu beschreiben, können die vorstehend beschriebenen Kühlsysteme ebenso verwendet werden, um Tinte aufzuheizen. Das Aufheizen von Tinte kann durch Ändern der relativen Temperatur des Kühlmittels und der Tinte derart erreicht werden, dass das Kühlfluid oder die Wärmesenke wärmer ist als die Tinte. Das Erhitzen der Tinte kann während des Aufwärmens/Anlaufens des Druckkopfs besonders nützlich sein.
Obwohl die Erfindung in Bezug auf eine Anzahl von Ausführungen beschrieben worden ist, wird es dem Fachmann klar sein, dass viele Alternativen, Modifikationen und Abwandlungen im Umfang der hier enthaltenen Leere sind. Änderungen, beispielsweise in den Parametern, wie etwa der Kühlungskoeffizient können fluktuieren in Abhängigkeit der Rate des Tintenflusses, der Viskosität der Tinte, der Temperatur der Tinte und des verwendeten Tintentyps. Der beschriebene Druckkopf ist ebenso für das Ausstoßen von anderen Materialien als Tinte nützlich.

Claims

Ein Druckkopfsystem umfassend: Mindestens einen Wandler (228, 232), der auf einem Druckkopf angebracht ist, wobei der Wandler Energie auf Tinte (308) abgibt, die über eine Fläche des Druckkopfes fließt; und ein Kühlsystem mit einer Kühlungseffektivität, das mit dem Druckkopf verbunden ist, wobei die Kühlungseffektivität über den Druckkopf verteilt ist, um ungefähr die Erwärmung, die durch die von den Wandlern (228, 232) abgegebene Energie bedingt ist, derart auszugleichen, dass die Temperatur der Tinte über den Druckkopf ungefähr konstant ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem umfasst: eine Wärmesenke (324), und ein Elastomer (304), das eine Rückseite des Druckkopfes mit der Wärmesenke (342) thermisch verbindet.
Das Druckkopfsystem gemäß Anspruch 1, wobei der Druckkopf ein akustischer Tintendruckkopf ist, der unter Verwendung von akustischer Energie von den Wandlern (328, 332) Tintentropfen erzeugt.
Der Druckkopf gemäß Anspruch 1, wobei die Kühlungseffektivität zwischen 0,01 und 0,07 Watt pro Quadratzentimeter pro Grad Kelvin ist.
Das Druckkopfsystem gemäß Anspruch 1, wobei die Tinte (308) eine phasenändernde Tinte ist.
Das Druckkopfsystem gemäß Anspruch 1, wobei die Tinte über die Oberfläche aufgrund von Kapillarität fließt.
Der Druckkopf gemäß Anspruch 1, wobei eine Tintenflussrate kleiner als 40 mm pro Minute pro Inch der Druckkopflänge ist.
Ein Verfahren zur Verbesserung der Ausgabe eines Druckkopfes zum Ausstoßen von Markierungsfluid, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Eingeben von Tinte (308) in den Druckkopf bei einer ersten Temperatur; Abgeben von Energie an die Tinte (308) bei einem ersten Wandler (228), um einen Tintentropfen auszubilden, wobei überschüssige Energie, die durch die Tinte absorbiert wird, eine Temperaturerhöhung in der Tinte auf eine zweite Temperatur in der Nachbarschaft des ersten Wandlers (228, 232) bewirkt; und Verwenden eines Kühlsystems, um die Tinte auf die erste Temperatur zurückzukühlen, während die Tinte von dem ersten Wandler zu einem zweiten Wandler (232) fließt, gekennzeichnet durch Bereitstellen einer Wärmesenke (342), die in dem Kühlsystem eingeschlossen ist; und Bereitstellen eines Elastomers (304), das eine Rückseite des Druckkopfes mit der Wärmesenke (342) thermisch verbindet.
Das Verfahren gemäß Anspruch 7 weiterhin umfassend: Abgeben von akustischer Energie von dem zweiten Wandler (232), um einen zweiten Tintentropfen auszubilden, wobei die Energie von dem zweiten Wandler, die von der Tinte absorbiert wird, ein Ansteigen der Tinte auf eine dritte Temperatur in der Nachbarschaft des zweiten Wandlers (232) bewirkt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 8 weiterhin umfassend: Kühlen der Tinte (308) von der dritten Temperatur zurück auf die erste Temperatur, während die Tinte (308) von dem zweiten Wandler (232) zu einem dritten Wandler (236) fließt.