DE69732940T2

DE69732940T2 - Flüssigkeitsausstosskopf, Flüssigkeitsausstosskopfkassette, Vorrichtung zum Ausstossen von Flüssigkeit, Drucksystem und Kit für einen Flüssigkeitsausstosskopf

Info

Publication number: DE69732940T2
Application number: DE69732940T
Authority: DE
Inventors: Hitoshi Ohta-ku Tsuboi; Toshio Ohta-ku Kashino; Hiroshi Ohta-ku Tajika; Noribumi Ohta-ku Koitabashi; Osamu Ohta-ku Iwasaki; Masaya Ohta-ku Uetuki; Hidehiko Ohta-ku Kanda; Masao Ohta-ku Kato; Yoshie Azumi-Gun Asakawa
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1996-07-09
Filing date: 1997-07-08
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2017-07-09
Also published as: JP3706715B2; EP0819537A2; DE69732940D1; US6231167B1; JPH1076659A; EP0819537A3; EP0819537B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Flüssigkeitsausstoßkopf zum Ausstoßen einer gewünschten Flüssigkeit durch Bläschenerzeugung infolge des Erwärmens der Flüssigkeit, eine Kopfkartusche, eine Flüssigkeitsausstoßvorrichtung, ein Drucksystem und ein Ersatzteil-Kästchen.
Es ist schon ein Tintenstrahldruckverfahren, ein sogenanntes Bläschenstrahldruckverfahren bekannt, bei welchem auf der Grundlage von Bildinformationen durch Zuführung von Wärmeenergie eine Zustandsänderung der Tinte einschließlich schnelle Volumenänderung (Erzeugung eines Bläschens) erreicht und dadurch Tinte auf ein Druckmedium ausgestoßen wird. Die zum Beispiel im US-Dokument 4,723,129 offenbarte, nach dem Bläschenstrahldruckverfahren arbeitenden Druckvorrichtung weist eine Ausstoßöffnung zum Ausstoßen von Tinte, einen mit dieser verbundenen Tintenströmungskanal und einen in diesem angeordneten elektrothermischen Wandler als Element zur Erzeugung von Wärmeenergie für das Ausstoßen von Tinte auf.
Dieses Druckverfahren gewährleistet das Drucken qualitativ hochwertiger Bilder, auch von Farbbildern bei hoher Geschwindigkeit, bei geringem Geräuschpegel und bei hoher Bildauflösung in einer kompakten Druckvorrichtung, da bei einem nach diesem Druckverfahren arbeitenden Druckkopf die Ausstoßöffnungen in einer hohen Dichte angeordnet werden können. Aus diesem Grund werden Bläschenstrahldruckverfahren nicht nur bei Büromaschinen wie Drucker, Kopierer und Faxge räte, sondern auch bei industriellen Systemen wie Textildruckvorrichtungen angewendet.
An die Bläschenstrahldrucktechnologie zum Drucken verschiedener Erzeugnisse werden immer höhere Anforderungen gestellt.
So besteht zum Beispiel die Forderung nach besserer Nutzung von Energie und nach Optimierung der Wärme erzeugenden Elemente durch Auswählen der geeigneten Schutzfilmdicke. Mit dieser Technologie wird eine bessere Übertragung der erzeugten Wärme auf die Flüssigkeit erreicht.
Um qualitativ hochwertige Bilder zu erzeugen, wurden Ansteuerbedingungen, welche eine höhere Tintenausstoßgeschwindigkeit und stabile Bläschenerzeugung gewährleisten, und verbesserte Konfigurationen der Flüssigkeitsströmungskanäle im Flüssigkeitsausstoßkopf zwecks Erhöhung der Auffüllgeschwindigkeit dieser Kanäle vorgeschlagen.
Eine verbesserte Kanalkonfiguration ist zum Beispiel die im japanischen Dokument 63-199972 offenbarte und in den 51A und 51B dargestellte. Die Konfiguration des Flüssigkeitskanals und das Kopfherstellungsverfahren gemäß diesem Dokument basieren auf einer Erfindung, welche die aus der Bläschenerzeugung resultierende Gegenwelle (Druck nicht in Richtung Ausstoßöffnung, sondern in Richtung Flüssigkeitskammer 12) nutzt.
Die in den 51A und 51B dargestellte Erfindung offenbart ein Ventil 10, welches vom Bläschenerzeugungsbereich eines Wärme erzeugenden Elements 2 und von der Ausstoßöffnung 11 entfernt angeordnet ist.
Das in 51B angedeutete Ventil 10 ist eine Platte, welche in der Ausgangsstellung die Decke des Flüssigkeitsströmungskanals 3 berührt und bei Erzeugung eines Bläschens in diesen ausgelenkt wird. Bei dieser Erfindung wird durch Steuerung eines Teils der Gegenwelle durch das Ventil 10 der Energieverlust verringert.
Bei einer solchen Konfiguration beeinträchtigt das Unterdrücken eines Teils der Gegenwelle durch das Ventil 10 das Flüssigkeitsausstoßen, wenn die Bläschenerzeugung in dem die auszustoßende Flüssigkeit führenden Flüssigkeitsströmungskanal 3 näher betrachtet wird.
Wie bereits erwähnt, trägt die Gegenwelle selbst nicht zum Flüssigkeitsausstoßen bei. Wie aus 51A hervor geht, wird im Moment der Bläschenerzeugung und somit Druckerzeugung im Flüssigkeitsströmungskanal 3 nicht die gesamte in diesem vorhandene Flüssigkeit ausgestoßen. Mit anderen Worten, durch Unterdrücken der Gegenwelle oder eines Teils davon wird das Flüssigkeitsausstoßen nicht wesentlich beeinflußt.
Beim Bläschenstrahldruckverfahren werden jedoch durch das wiederholte Erwärmen der Tinte über dem Heizelement auf dessen Oberfläche je nach Tintenart teilweise große Mengen verbrannte Tintenpartikel abgelagert, welche instabile Bläschenerzeugung verursachen und dadurch den Ausstoßvorgang beeinträchtigen. Aus diesem Grund besteht die Forderung nach einem Verfahren, welches selbst bei Verwendung einer hitzempfindlichen Flüssigkeit oder einer Flüssigkeit mit schlechter Bläschenerzeugungseigenschaft ein Denaturieren dieser Flüssigkeit verhindert und Ausstoßen auf die gewünschte Weise gewährleistet.
Ein solches Verfahren ist zum Beispiel in den japanischen Dokumenten 61-69467 und 55-81172 und im amerikanischen Dokument 4,480,259 offenbart, bei welchem eine Flüssigkeit zum Erzeugen von Bläschen durch Wärme und eine Ausstoßflüssigkeit verwendet werden. In diesem Fall trennt eine flexible Membran zum Beispiel aus Silikongummi die Tinte oder Ausstoßflüssigkeit von der Bläschenerzeugungsflüssigkeit, wobei durch den Druck des erzeugten Bläschens die Membran elastisch verformt und dadurch Ausstoßflüssigkeit ausgestoßen wird. Eine solche Konfiguration verhindert das Ablagern verbrannter Tintenteilchen auf der Oberfläche des Wärme erzeugenden Elements und bietet eine größere Freiheit hinsichtlich Auswahl der Ausstoßflüssigkeit.
Bei einem Kopf, bei welchem die Bläschenerzeugungsflüssigkeit vollständig von der Ausstoßflüssigkeit getrennt ist, wird ein nicht unerheblicher Teil des Bläschendrucks durch das Verformen der Membran absorbiert. Auch eine nur geringfügige Verformung der Membran verursacht Energieverluste, welche das Ausstoßen beeinträchtigen.
Demzufolge ist die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung die Verbesserung der Ausstoßcharakteristik gegenüber jener bei einem herkömmlichen Verfahren, bei welchem im Flüssigkeitsströmungskanal durch Filmsieden ein Bläschen erzeugt und dadurch Flüssigkeit ausgestoßen wird.
Einige der Erfinder dieser Neuerung haben das Ausstoßen von Flüssigkeitströpfchen intensiv untersucht, um ein besser geeignetes Verfahren und einen entsprechenden Ausstoßkopf zu entwickeln. Besondere Aufmerksamkeit wurde dem Auslenken des im Flüssigkeitskanal des Kopfes angeordneten beweglichen Elements gewidmet und aus den gewonnenen Erkenntnissen eine vollkommen neue Technologie entwickelt, welche das Wachsen des erzeugten Bläschens aktiv steuert. Mit anderen Worten, das bewegliche Element wurde dem Wärme erzeugenden Element oder dem Bläschenerzeugungsbereich gegenüber angeordnet und die Lage des Auslenkpunktes und des freien Endes des beweglichen Elements wurden so gewählt, daß das freie Ende auf die Ausstoßöffnung gerichtet ist, um das Wachsen des Bläschens entlang des ausgelenkten beweglichen Elements in Flüssigkeitsausstoßrichtung zu lenken und dadurch die Ausstoßeffizienz zu verbessern. Mit der von den Erfindern entwickelten Technologie wurde ein extrem hohes technisches Niveau erreicht.
Der Einreicher dieser Neuerung hat bereits mehrere Patente angemeldet, welche die Konfiguration des Flüssigkeitsströmungskanals und des in diesem angeordneten beweglichen Elements betreffen, um das Wachsen des Bläschens von der durch die Mitte des elektrothermischen Wandlers oder des Bläschenerzeugungsbereichs gezogenen Linie in Ausstoßrichtung zu lenken und gleichzeitig das Auffüllen des Flüssigkeitskanals zu beschleunigen.
Die Untersuchungen wurden an einer Flüssigkeitsausstoßvorrichtung durchgeführt, bei welcher ein bewegliches Element die Ausstoßflüssigkeit und die Bläschenerzeugungsflüssigkeit voneinander trennt, und haben ergeben, daß die Flüssigkeit in einem getrennt vom Substrat angeordneten Strömungskanal nicht ausreichend Wärme von dem das Substrat wärmenden oder Bläschen erzeugenden Heizelement empfängt und eine instabile Ansprechzeit zu verzeichnen ist.
Im Dokument EP-A-0436047 ist ein Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf beschrieben, bei welchem das Ausstoßen von Tinte ebenfalls durch Erzeugung eines Bläschens von einem Heizelement bewirkt wird. Bei diesem Kopf ist im Tintenkanal minde stens ein mechanisches Ventil angeordnet, welches das Wachsen des Bläschens in Richtung Tintenbehälter verhindert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines vollständig neuen Flüssigkeitsausstoßprinzips, bei welchem das Wachsen eines erzeugten Bläschens durch ein den Bläschenerzeugungsbereich von einem anderen Bereich trennendes bewegliches Element gesteuert und die Bläschenkraft zum Flüssigkeitsausstoßen genutzt und die Flüssigkeit im Strömungskanal ausreichend erwärmt wird, d.h. die Bereitstellung eines Flüssigkeitsausstoßkopfes, einer Kopfkartusche, einer Flüssigkeitsausstoßvorrichtung, eines Drucksystems, welche konstantes stabiles Ausstoßen einer bestimmten Flüssigkeitsmenge gewährleisten, und eines Kopfersatz-Kit.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines die genannten Aufgaben erfüllenden Flüssigkeitsausstoßkopfes, welcher einen mit einer Ausstoßöffnung verbundenen Flüssigkeitskanal und ein bewegliches Element aufweist, wobei das bewegliche Element dem Bläschenerzeugungsbereich gegenüber angeordnet ist, von einem erzeugten Bläschen aus einer ersten Stellung in eine von dieser entfernten zweiten Stellung ausgelenkt werden kann und dabei das Wachsen des Bläschens mehr in Richtung Ausstoßöffnung als in entgegengesetzte Richtung steuert und als Heizelement für die Flüssigkeit dient.
Die vorliegende Erfindung kann auf Drucker zum Drucken verschiedener Druckmedien wie Papier, Garn, Fasern, Gewebe, Leder, Metall, Kunststoff, Glas, Nutzholz, Keramik usw., auf Kopierer, Faxgeräte mit Kommunikationssystem oder Textautomaten mit einer angeschlossenen Druckeinheit und auch auf industriell genutzte Druckvorrichtungen mit integrierter Verarbeitungseinheit übertragen werden.
Der in dieser Erfindung verwendete Begriff „Drucken" schließt das Drucken eines Bildes mit einer bestimmten Bedeutung in Form eines Buchstaben oder einer Graphik und eines Bildes in Form eines Musters auf einem Druckmedium ein.
Die in dieser Erfindung verwendeten Begriffe „vor" und „hinter" beziehen sich auf die Flüssigkeitsströmungsrichtung von der Versorgungsquelle über den Bläschenerzeugungsbereich (oder das bewegliche Element) zur Ausstoßöffnung.
So bedeutet der „hintere" Abschnitt des Bläschens den von der Bläschenmitte aus auf die Ausstoßöffnung gerichteten und grundsätzlich das Ausstoßen eines Tintentröpfchens bewirkenden Teil des Bläschens.
Der Begriff „Trennwand" bezieht sich weitgehend auf eine Wand (welche das bewegliche Element einschließen kann), welche den Bläschenerzeugungsbereich und den unmittelbar mit der Ausstoßöffnung verbindenden Bereich voneinander trennt, und im engeren Sinn ein Element, welches den Abschnitt des Flüssigkeitskanals, der den Bläschenerzeugungsbereich einschließt, von dem direkt mit der Ausstoßöffnung verbundenen Abschnitt trennt und ein Vermischen der in diesen Kanalabschnitten vorhandenen Flüssigkeiten verhindert und welches das bewegliche Element einschließen kann.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt schematisch die Schnittansicht eines Flüssigkeitsausstoßkopfes.
2 zeigt perspektivisch den in 1 dargestellten Flüssigkeitsausstoßkopf, teilweise als Schnittansicht.
3 zeigt schematisch die Funktion des in 1 dargestellten Flüssigkeitsausstoßkopfes.
Die 4, 5 und 6 zeigen schematisch das Ausbreiten des Bläschendrucks bei dem in 1 dargestellten Flüssigkeitsausstoßkopf.
7 zeigt schematisch die Bläschendruckausbreitung bei einem herkömmlichen Kopf.
8 zeigt schematisch die Bläschendruckausbreitung bei dem in 1 dargestellten Flüssigkeitsausstoßkopf.
9 zeigt die Schnittansicht eines Flüssigkeitsausstoßkopfes in Zweikanalkonstruktion zum Ausstoßen einer Flüssigkeit durch Bläschenerzeugung.
10 zeigt in Diagrammform die Beziehung zwischen der Temperatur der Ausstoßflüssigkeit und der Ausstoßmenge.
11 zeigt in Diagrammform die Beziehung zwischen der Temperatur und der Viskosität der Ausstoßflüssigkeit.
Die 12A und 12B zeigen die Schnittansicht eines Kopfes in Zweikanalkonstruktion entlang des Flüssigkeitskanals, bei welchem die Temperatur der Ausstoßflüssigkeit und die Temperatur der Bläschenerzeugungsflüssigkeit durch die Trennwand geregelt wird, wobei im Falle der in 12A dargestellten Konfiguration das Wärme erzeugende Element zur Trennwand und/oder zum beweglichen Element gehört, im Falle der in 12B dargestellten Konfiguration die zum zweiten Flüssigkeitskanal gerichtete Seite der Trennwand und/oder des beweglichen Elements mit einer Wärmeschutzschicht versehen ist.
13 zeigt in Diagrammform die Beziehung zwischen der Temperatur der Ausstoßflüssigkeit und der Nutzleistung des Wärme erzeugenden Elements hinsichtlich der Temperaturregelung.
14 zeigt die Steuerspannung als Funktion der Zeit.
15 zeigt die Temperaturregelung der Flüssigkeit im ersten Flüssigkeitskanal und der Flüssigkeit zweiten Flüssigkeitskanal.
16 zeigt in Tabellenform die Beziehung zwischen der Temperaturdifferenz und der Nutzleistung des Wärme erzeugenden Elements.
17 zeigt von der Deckplatte aus gesehen schematisch eine Trennwand, deren gesamte Fläche den elektrothermischen Wandler bildet.
18 zeigt von der Deckplatte aus gesehen schematisch eine Trennwand, in welcher der elektrothermische Wandler am beweglichen Element angeordnet ist.
Die 19A, 19B, 19C und 19D zeigen schematisch die Schnittansicht eines Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entlang des Flüssigkeitskanals.
20 zeigt perspektivisch den in den 19A, 19B, 19C und 19D dargestellten Flüssigkeitsausstoßkopf, teilweise aus Schnittansicht.
21 zeigt das Ausstoßprinzip der vorliegenden Erfindung.
22 zeigt schematisch die Flüssigkeitsströmung bei der vorliegenden Erfindung.
23 zeigt schematisch die Schnittansicht eines Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entlang des Flüssigkeitskanals.
Die 24A und 24B zeigen die Schnittansicht des Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und den Ausstoßvorgang.
25 zeigt schematisch einen Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, teilweise als Schnittansicht.
Die 26A, 26B, 26C und 26D zeigen schematisch die Schnittansicht des Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und den Ausstoßvorgang.
27 zeigt schematisch die Schnittansicht eines Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die 28A und 28B zeigen schematisch die Schnittansicht eines Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei in Figur 28A der Ausgangszustand und in 28B der Ausstoßzustand dargestellt ist.
29 zeigt die Konfiguration des ersten Flüssigkeitskanals und die des beweglichen Elements.
Die 30A, 30B und 30C zeigen die Konstruktion des beweglichen Elements und des Flüssigkeitskanals.
Die 31A, 31B und 31C zeigen weitere Formen des beweglichen Elements.
32 zeigt in Diagrammform die Beziehung zwischen der Fläche des Wärme erzeugenden Elements und der Tintenausstoßmenge.
Die 33A und 33B zeigen die positionelle Beziehung zwischen dem beweglichen Element und dem Wärme erzeugenden Element.
34 zeigt in Diagrammform die Beziehung zwischen dem Abstand der Kante des Wärme erzeugenden Elements zum Auslenkpunkt des beweglichen Elements und der Auslenkgröße des beweglichen Elements.
35 zeigt die positionelle Beziehung zwischen dem Wärme erzeugenden Element und dem beweglichen Element.
Die 36A und 36B zeigen Schnittansichten eines Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung.
37 zeigt schematisch die Form eines Steuerimpulses.
Die 38A, 38B, 38C, 38D, 38E, 39A, 39B, 39C, 39D, 40A, 40B, 40C und 40D zeigen die Schritte bei der Herstellung des Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung.
41 zeigt die Schnittansicht des Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung entlang des Flüssigkeitskanals mit Zuführbohrungen.
42 zeigt den Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß der vorliegenden Erfindung perspektivisch und in Explosivdarstellung.
43A zeigt die Konfiguration eines Teils des beweglichen Elements 31, 831 mit integriertem Wärme erzeugenden Element und 43b die Anordnung der in 43A angedeuteten Elektroden 1204, 1205.
44 zeigt die Schnittansicht des Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung entlang des Flüssigkeitskanals mit Zuführbohrungen.
45 zeigt den Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß der vorliegenden Erfindung perspektivisch und in Explosivdarstellung.
46 zeigt perspektivisch und in Explosivdarstellung eine Kopfkartusche.
47 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Flüssigkeitsausstoßvorrichtung.
48 zeigt im Blockschaltbild den Aufbau einer Flüssigkeitsausstoß-Druckvorrichtung.
49 zeigt ein Flüssigkeitsausstoß-Drucksystem.
50 zeigt schematisch ein Kopfersatzteil-Kit.
Die 51A und 51B zeigen schematisch die Konfiguration des Flüssigkeitskanals in einem herkömmlichen Flüssigkeitsausstoßkopf.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend werden in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben.
[Erstes Bezugsbeispiel]
Bei diesem in Zweikanalkonstruktion ausgeführten Flüssigkeitsausstoßkopf werden eine Bläschenerzeugungsflüssigkeit und eine reine Ausstoßflüssigkeit verwendet.
1 zeigt schematisch die Schnittansicht dieses Flüssigkeitsausstoßkopfes entlang des Flüssigkeitskanals und 2 diesen Flüssigkeitsausstoßkopf in perspektivischer Darstellung, teilweise als Schnittansicht.
Auf dem Elementsubstrat 1 dieses Flüssigkeitsausstoßkopfes sind ein Wärme erzeugendes Element 2 zur Erzeugung von Wärme, ein Flüssigkeitskanal 16 für eine zweite Flüssigkeit, d.h. die Bläschenerzeugungsflüssigkeit, und ein mit einer Ausstoßöffnung 18 direkt verbundener Flüssigkeitskanal 14 für eine erste Flüssigkeit, d.h. die Ausstoßflüssigkeit angeordnet.
Die zahlreichen ersten Flüssigkeitskanäle 14 sind an eine gemeinsame erste Flüssigkeitskammer 15 für die Ausstoßflüssigkeit und die zahlreichen zweiten Flüssigkeitskanäle 16 an eine gemeinsame zweite Flüssigkeitskammer 17 für die Bläschenerzeugungsflüssigkeit angeschlossen.
Zwischen dem ersten Flüssigkeitskanal 14 und dem zweiten Flüssigkeitskanal 16 ist eine Trennwand 30 aus einem elastischen Material wie Metall angeordnet, welche beide Kanäle voneinander trennt. Wenn die Bläschenerzeugungsflüssigkeit und die Ausstoßflüssigkeit nur in ganz geringem Maß miteinander vermischt werden dürfen, sollte die Trennwand 30 den Flüssigkeitskanal 14 weitgehend vom Flüssigkeitskanal 16 trennen, während bei einem gestatteten leichten Vermischen beider Flüssigkeiten die Trennwand kein vollständiges Trennen der beiden Kanäle bewirken muß.
In einem durch Projizieren des Wärme erzeugenden Elements 2 nach oben erzeugten Raum (in 1 Bereich A und Bläschenerzeugungsbereich B (11), nachfolgend Ausstoßdruck erzeugender Bereich genannt) bildet die Trennwand ein bewegliches Element 31 in Form eines durch einen Schlitz 35 erzeugten Kragarms mit einem auf die Ausstoßöffnung gerichteten freien Ende 32 und einem nahe den beiden gemeinsamen Flüssigkeitskammern 15, 17 liegenden Auslenkpunkt 33. Das dem Bläschenerzeugungsbereich 11 (B) somit gegenüber angeordnete bewegliche Element 31 wird durch Erzeugung eines Bläschens in der Bläschenerzeugungsflüssigkeit in Pfeilrichtung in den mit der Ausstoßöffnung 18 verbundenen ersten Flüssigkeitskanal ausgelenkt. Wie auch aus 2 hervor geht, ist die Trennwand 30 über dem mit einem Wärme erzeugenden Widerstand als Wärme erzeugendes Element 2 und Verdrahtungselektroden 5 versehenen Elementsubstrat 1 und über dem vom zweiten Flüssigkeitskanal 16 gebildeten Raum angeordnet.
Nachfolgend wird anhand der 3 bis 6 die Funktion dieses Flüssigkeitsausstoßkopfes beschrieben.
Bei diesem Kopf wurde als die dem ersten Flüssigkeitskanal 14 zuzuführende Ausstoßflüssigkeit und als die dem zweiten Flüssigkeitskanal 16 zuzuführende Bläschenerzeugungsflüssigkeit die gleich wäßrige Tinte verwendet.
Die vom Wärme erzeugenden Element erzeugte Wärme wird auf die im Bläschenerzeugungsbereich des zweiten Flüssigkeitskanals vorhandene Bläschenerzeugungsflüssigkeit übertragen, um durch das im amerikanischen Dokument 4,723,129 offenbarte Filmsieden ein Bläschen 40 in dieser zu erzeugen.
Da der Bläschendruck vom Bläschenerzeugungsbereich aus sich nicht in drei Richtungen fortpflanzen kann, ausgenommen die Ausstoßrichtung, sondern konzentriert auf das bewegliche Element 31 wirkt, wird dieses mit dem Wachsen des Bläschens aus der in 3 dargestellten Stellung in die in 4 dargestellte Stellung in den ersten Flüssigkeitskanal 14 ausgelenkt. Dadurch wird die Verbindung zwischen dem ersten Flüssigkeitskanal 14 und dem zweiten Flüssigkeitskanal 16 hergestellt und der Druck grundsätzlich in Richtung Ausstoßöffnung 18 (Richtung A) gelenkt. Mit dem weiteren Wachsen des Bläschens 40, dargestellt in den 5 und 6, wird durch den Bläschendruck in Verbindung mit dem Auslenken des beweglichen Elements 31 Flüssigkeit aus der Ausstoßöffnung 18 ausgestoßen.
Beim Zusammenfallen des Bläschens 40 kehrt das bewegliche Element 31 aus der in 6 dargestellten Stellung in die in 3 dargestellte Ausgangsstellung zurück und von der Zuführseite strömt Flüssigkeit entsprechend der ausgestoßenen Flüssigkeitsmenge in den ersten Flüssigkeitskanal 14 nach. Da das Zuführen in der Ausgangsstellung des beweglichen Elements 31 erfolgt, behindert dieses das Nachströmen der Flüssigkeit nicht.
Nachfolgend wird eines der Ausstoßgrundprinzipien beim Ausstoßkopf dieser Art beschrieben. Da das bewegliche Element 31 sich dem erzeugten Bläschen gegenüber befindet, wird es durch dieses selbst oder durch den Bläschendruck aus einer ersten Stellung, d.h. der Ausgangsstellung, in eine zweite Stellung ausgelenkt und richtet dabei den Bläschendruck auf die Ausstoßöffnung 18.
Dieses Prinzip wird anhand des in 7 schematisch dargestellten herkömmlichen Flüssigkeitskanal ohne bewegliches Element 31 und anhand der in 8 dargestellten Konfiguration des Flüssigkeitskanals im Kopf der beschriebenen Art detailliert erläutert, wobei V_A die Druckfortpflanzung in Richtung Ausstoßöffnung 18 und V_B die Druckfortpflanzung in Richtung gemeinsame Flüssigkeitskammer kennzeichnet.
Bei dem in 7 dargestellten herkömmlichen Kopf ist die Ausbreitungsrichtung des vom Bläschen 40 erzeugten Drucks nicht begrenzt. Folglich breitet der Druck sich im rechten Winkel zur Bläschenoberfläche in verschiedene Richtungen aus, gekennzeichnet durch die Bezugszeichen v₁ – v₈. Von diesen Druckkomponenten haben die in Richtung A wirkenden, näher an der Ausstoßöffnung 18 liegenden Komponenten v₁ – v₄ den größten Einfluß auf das Flüssigkeitsausstoßen und bestimmen die Ausstoßleistung und die Ausstoßgeschwindigkeit. Von diesen vier Komponenten ist die Komponente v₁ die effektivste, während die Komponente v₄ nur einen relativ geringen Einfluß auf das Ausstoßen hat.
Dagegen werden bei dem in 8 dargestellten Kopf durch das bewegliche Element 31 die Komponenten v₁ – v₄ in Richtung V_A konzentriert, so daß der Druck des Bläschens 40 direkt und effizient zum Flüssigkeitsausstoßen beiträgt. Auch das Bläschen selbst wird in Ausstoßrichtung gelenkt und wächst in diese Richtung mehr als in die entgegengesetzte Richtung. Die vom beweglichen Element 31 gesteuerte Wachstumsrichtung des Bläschens 40 und Druckausbreitungsrichtung bringt führt zu einer grundsätzlichen Verbesserung der Ausstoßeffizienz, der Ausstoßleistung und der Ausstoßgeschwindigkeit.
Nachfolgend wird anhand der 3 bis 6 näher auf den Ausstoßvorgang bei diesem Bezugskopf eingegangen.
3 zeigt den Zustand vor dem Speisen des Wärme erzeugenden Elements 2 mit Elektroenergie, d.h. vor dem Erzeugen von Wärme.
4 zeigt den Zustand, in welchem das mit Elektroenergie gespeiste Wärme erzeugende Element Wärme erzeugt, einen Teil der im Bläschenerzeugungsbereich 11 vorhandenen Flüssigkeit erwärmt und Filmsieden ausgelöst hat, so daß ein Bläschen 40 entstanden ist.
Durch den aus der Bläschenerzeugung resultierenden Druck wird das bewegliche Element 31 aus einer ersten Stellung in eine zweite Stellung ausgelenkt und der Druck auf die Ausstoßöffnung 18 gerichtet. Wichtig ist die Anordnung des freien Endes 32 des beweglichen Elements 31 auf der Ausstoßöffnungsseite und die des Auslenkpunktes auf der Seite der gemeinsamen Flüssigkeitskammer, so daß mindestens ein Teil des beweglichen Elements dem hinteren Ende des beweglichen Elements 2 oder des Bläschens 40 gegenüber liegt.
5 zeigt den Zustand, in welchem das bewegliche Element 31 noch weiter ausgelenkt wurde und das Bläschen 40 über die durch die gestrichelte Linie gekennzeichnete erste Stellung des beweglichen Elements hinaus gewachsen ist. Mit dem Wach sen des Bläschens 40 wird das beweglichen Elements 31 allmählich ausgelenkt, so daß dessen bewegliches Ende 32 den Bläschendruck auf die Aufstoßöffnung richtet und dadurch die Ausstoßeffizienz verbessert. Mit anderen Worten, das bewegliche Element 31 steuert die Bläschenwachstumsrichtung und die Druckausbreitungsrichtung und lenkt diese effektiv auf die Ausstoßöffnung 18.
6 zeigt den Zustand, in welchem nach dem Filmsieden das Bläschen zusammengefallen und fast verschwunden und dadurch das elastische, bewegliche Element 31 aus der zweiten Stellung wieder in die erste Stellung zurückgekehrt ist. Durch den beim Zusammenfallen des Bläschens auftretenden Volumenverlust strömt von der gemeinsamen Flüssigkeitskammer in Richtung v_D1, V_D2 und von der Ausstoßöffnung 18 in Richtung V_C Flüssigkeit in den Bläschenerzeugungsbereich 11.
Der Mechanismus des Auffüllens des Bläschenerzeugungsbereichs mit Flüssigkeit bei diesem Kopf wird anhand der 3 bis 6 nachfolgend detailliert erläutert.
Wenn das Bläschen mit Maximalvolumen aus dem in 5 dargestellten Zustand zusammenfällt, strömt Flüssigkeit in einer dem verschwindenden Bläschenvolumen entsprechenden Menge von der Ausstoßöffnung 18 in den ersten Flüssigkeitskanal 14 zurück und von der gemeinsamen Flüssigkeitskammer in den zweiten Flüssigkeitskanal 16 nach.
Bei einem Flüssigkeitsausstoßkopf herkömmlicher Konfiguration ohne bewegliches Element 31 wird die beim Zusammenfallen des Bläschens von der Ausstoßöffnung 18 und der gemeinsamen Flüssigkeitskammer zum Bläschenerzeugungsbereich zurück- bzw. nachströmende Flüssigkeitsmenge vom Strömungswiderstand im jeweiligen Flüssigkeitskanal und von der Trägheit der Flüssigkeit bestimmt. Bei einem geringen Strömungswiderstand zwischen der Ausstoßöffnung 18 und dem Bläschenerzeugungsbereich strömt beim Zusammenfallen des Bläschens 40 von dieser Seite aus eine größere Flüssigkeitsmenge zurück, so daß auch der Meniskus weit zurückgezogen wird. Wenn zur Verbesserung der Ausstoßeffizienz ein geringer Strömungswiderstand in dem zur Ausstoßöffnung 18 führenden Kanalabschnitt gewählt und dadurch beim Zusammenfallen des Bläschens der Meniskus weit zurückgezogen wird, verlängert sich die Auffüllzeit, welche Hochgeschwindigkeitsdrucken verhindert.
Da bei diesem Kopf mit beweglichem Element 31 beim Zusammenfallen des Bläschens dieses Element in die Ausgangsstellung zurück schwenkt und dadurch das Bläschenvolumen W in ein über diesem liegendes Volumen W1 und ein über dem Bläschenerzeugungsbereich 11 liegendes Volumen W2 unterteilt wird, erfolgt das Auffüllen des verschwindenden Volumens W2 im zweiten Flüssigkeitskanal 16 grundsätzlich in Richtung U_D2. Während bei einer herkömmlichen Konfiguration die Rückzugsgröße des Meniskus M die Hälfte des Bläschenvolumens W beträgt, kann diese bei einem Kopf mit beweglichem Element reduziert werden, und zwar auf die Hälfte des kleineren Volumens W1.
Das Auffüllen des W2 beim Zusammenfallen des Bläschens kann durch den dabei erzeugten Unterdruck entlang der auf das Wärme erzeugende Element 2 gerichteten Fläche des beweglichen Elements 31 in Richtung V_D2 durch den zweiten Flüssigkeitskanal 16 schnell erfolgen.
Bei einem herkömmlichen Kopf verursacht das dem Zusammenfallen des Bläschens einhergehende Auffüllen ein starkes Schwingen des Meniskus und dadurch eine Verschlechterung der Bildqualität. Dagegen kann bei dem beschriebenen Bezugskopf das Schwingen des Meniskus an der Ausstoßöffnung 18 beim Hochgeschwindigkeitsauffüllen dadurch unterdrückt werden, daß das bewegliche Element das Strömen der Flüssigkeit aus dem ersten Flüssigkeitskanal 14 zum Bläschenerzeugungsbereich verhindert.
Wie bereits erwähnt, wird bei diesem Kopf durch Unterdrücken des Meniskusrückzugs und des Meniskusschwingens der Bläschenerzeugungsbereich 11 durch den Zuführkanal 12 und den zweiten Flüssigkeitskanal 16 schnell mit Flüssigkeit aufgefüllt, so daß ständig stabiles Ausstoßen bei hoher Geschwindigkeit und eine gute Bildqualität gewährleistet werden.
Ein weiterer Vorteil dieses Kopfes besteht darin, daß das Ausbreiten des Bläschendrucks zur gemeinsamen Flüssigkeitskammer hin (Gegenwelle) und somit das Strömen von Flüssigkeit in diese Richtung unterdrückt wird. Eine solche Gegenwelle erzeugt verhindert in Verbindung mit der Trägheit der Flüssigkeit schnelles Auffüllen des Flüssigkeitskanals und dadurch schnelles Aufzeichnen.
Bei diesem Kopf mit dem beweglichen Element weist der zweite Flüssigkeitskanal 16 vor dem Wärme erzeugenden Element einen von einer flachen Innenwand gebildeten Abschnitt 12 (ohne eine große Vertiefung für das Wärme erzeugende Element) auf. Dadurch erfolgt das Nachströmen von Flüssigkeit zum Bläschenerzeugungsbereich 11 und zum Wärme erzeugenden Element 2 entlang dem beweglichen Element 31 in Richtung V_D2. Dadurch werden ein Stagnieren des Flüssigkeitsstroms auf der Oberfläche des Wärme erzeugenden Elements 2, ein Wärmestau auf diesem, ein Entweichen des in der Flüssigkeit gelösten Gases und das Verbleiben eines sogenannten Restbläschens verhindert. Da diese Nachteile verhindert werden, wird wiederholte stabile Bläschenerzeugung bei hoher Geschwindigkeit gewährleistet. Der Kanalabschnitt 12 kann aber auch ohne Innenwand glatt ausgeführt werden, so daß dieser glatt auf das Wärme erzeugende Element 2 übergehet und kein Stagnieren der Flüssigkeit auf diesem oder starke Turbulenzen in der Flüssigkeitszuführung verursacht.
Wie aus 1 hervor geht, ist in Flüssigkeitsströmungsrichtung gesehen das freie Ende 32 des beweglichen Elements 31 hinter dem Auslenkpunkt 33 angeordnet. Dadurch wird der Bläschendruck zielgerichtet auf die Ausstoßöffnung 18 gelenkt. Diese Anordnung setzt der Flüssigkeit nur einen geringen Strömungswiderstand entgegen, so daß Flüssigkeit schnell in den Flüssigkeitskanal nachströmt. Diese Konstruktion wird auch bei dem in 6 dargestellten Kopf mit einem ersten Flüssigkeitskanal 14 und einem zweiten Flüssigkeitskanal 16 verwendet, so daß das bewegliche Element 31 dem Zurückweichen des Meniskus M zur Ausstoßöffnung 18 durch Kapillarwirkung oder beim Zusammenfallen des Bläschens keinen Widerstand entgegensetzt.
Bei diesem Bezugskopf kann durch die Zweikanalkonstruktion die Ausstoßflüssigkeit sich von der Bläschenerzeugungsflüssigkeit unterscheiden, wobei durch Bläschenerzeugung in der Bläschenerzeugungsflüssigkeit Ausstoßflüssigkeit ausgestoßen wird.
Dadurch kann auch eine stark viskose Flüssigkeit wie Polyäthylenglykol, welche unzureichende Bläschenerzeugungsfähigkeit bei Aufbringen von Wärme hat, problemlos ausgestoßen werden, wenn diese im ersten Flüssigkeitskanal und eine geeignete Bläschenerzeugungsflüssigkeit, z.B. ein Äthanol-Wasser-Gemisch in einem Verhältnis von 4:6 und mit einer Viskosität von 1-2 cP oder eine Flüssigkeit mit einem niedrigen Siedepunkt im zweiten Flüssigkeitskanal geführt wird.
Es kann auch eine Bläschenerzeugungsflüssigkeit verwendet werden, welche auf der Oberfläche des Wärme erzeugenden Elements 2 bei Aufbringen von Wärme nicht verkrackt und trotzdem eine gute Bläschenerzeugungseigenschaft hat, um befriedigendes Ausstoßen zu gewährleisten.
Eine hohe Ausstoßeffizienz kann auch erreicht werden, wenn im ersten Flüssigkeitskanal eine wärmeempfindliche Flüssigkeit als Ausstoßflüssigkeit und im zweiten Flüssigkeitskanal eine thermisch stabile Bläschenerzeugungsflüssigkeit geführt wird.
Bei diesem ersten Bezugskopf wird durch das bewegliche Element auch eine neuartige Bedingung für die Temperaturregelung geschaffen, um die Viskosität jeder der beiden verwendeten Flüssigkeiten in einem bestimmten Bereich zu halten. Diese Funktion des beweglichen Elements wird nachfolgend anhand von 3 beschrieben.
Die Temperaturregelung der im ersten Flüssigkeitskanal 14 und der im zweiten Flüssigkeitskanal 16 geführten Flüssigkeit kann simultan oder separat erfolgen.
Bei dem in 3 dargestellten Kopf, bei welchem der erste Flüssigkeitskanal 14 durch das bewegliche Element vom zweiten Flüssigkeitskanal 16 getrennt wird, erfolgt die Temperaturregelung der Flüssigkeit im ersten Flüssigkeitskanal 14 auf herkömmliche Weise durch das auf dem Elementsubstrat angeordnete Wärme erzeugende Element. Bei dieser Art des Erwärmens kann die Temperatur der weiter vom Wärme erzeugenden Element vorhandenen Flüssigkeit nicht in der gewünschten Zeit ausreichend und stabil geregelt werden. Mit anderen Worten, das Flüssigkeitsausstoßen wird instabil und die Ausstoßmenge schwankt.
Aus diesem Grund wird bei diesem Bezugskopf in Zweikanalkonstruktion gleichzeitiges oder unabhängiges Erwärmen der Flüssigkeiten in den Flüssigkeitskanälen 14, 16 gesteuert und dadurch eine gleichmäßige Temperatur dieser Flüssigkeiten gewährleistet.
[Zweites Bezugsbeispiel]
Zuerst wird auf die Gemeinsamkeiten des ersten und des zweiten Bezugskopfes näher eingegangen.
Wie aus 9 hervor geht, ist auf einem Substrat 1 ein Wärme erzeugendes Element 2 zur Erzeugung eines Bläschens, darüber ein zweiter Flüssigkeitskanal 16 für die Bläschenerzeugungsflüssigkeit und über diesem ein mit einer Ausstoßöffnung 18 direkt verbundenere erster Flüssigkeitskanal 14 für die Ausstoßflüssigkeit angeordnet und der Kopf außerdem mit einer Heiz- oder Kühlvorrichtung zum Regulieren der Temperatur der Ausstoßflüssigkeit gleichzeitig mit oder unabhängig von Bläschenerzeugungsflüssigkeit ausgerüstet. Die Temperaturregulierung der Bläschenerzeugungsflüssigkeit kann vom Wärme erzeugenden Element 2 oder vom Substraterwärmungselement durchgeführt werden. Zwischen dem ersten Flüssigkeitskanal 14 und dem zweiten Flüssigkeitskanal 16 sind eine Trennwand 30 und ein bewegliches Element 31 aus einem elastischen Material wie Metall angeordnet, welche die Ausstoßflüssigkeit von der Bläschenerzeugungsflüssigkeit trennen. Das einen Teil der Trennwand 30 bildende bewegliche Element 31 nimmt im drucklosen Zustand die durch die gestrichelte Linie angedeutete Ausgangsstellung ein. Wenn der an das Wärme erzeugende Element 2 gesendete Spannungsimpuls einen bestimmten Grenzwert überschreitet, wird in der im zweiten Flüssigkeitskanal 16 vorhandenen Bläschenerzeugungsflüssigkeit durch Filmsieden ein Bläschen 11 erzeugt und von diesem das bewegliche Element 31 in den ersten Flüssigkeitskanal 14 ausgelenkt. Mit dem weiteren Wachsen des Bläschens 11 und dem Zurückdrücken von Ausstoßflüssigkeit in die Flüssigkeitskammer 12 wird aus der Ausstoßöffnung 18 Ausstoßflüssigkeit in Form eines Tröpfchens 60 ausgestoßen. Mit dem Zusammenfallen des Bläschens durch Abkühlung wird das Tröpfchen 60 in der Nähe der Ausstoßöffnung 18 abgetrennt und fliegt nach links aus dieser. Durch die Elastizität des beweglichen Elements 31 kehrt dieses in die Ausgangsstellung zurück, wobei Ausstoßflüssigkeit entsprechend der ausgestoßenen Menge von rechts in den Flüssigkeitskanal 14 nachströmt. Mit dem Verschwinden des Bläschens bei weiterer Abkühlung strömt Bläschenerzeugungsflüssigkeit entsprechend der verbrauchten Menge von rechts in den zweiten Flüssigkeitskanal 16 nach. Durch gleichzeitige oder separate Temperaturregulierung bei allen in Zweikanalkonstruktion ausgeführten Flüssigkeitsausstoß-Druckvorrichtungen wird die Viskosität der verwendeten Flüssigkeiten effektiv gesteuert, unabhängig davon, ob der Flüssigkeitsausstoß auf dem Druck des erzeugten Bläschens basiert oder nicht. Die Ausstoßmenge verringert sich mit zunehmender Viskosität. Die 10 und 11 zeigen die Beziehung zwischen der Temperatur und der Viskosität bzw. der Ausstoßmenge beim Speisen des Wärme erzeugenden Elements 2 mit einem konstanten Spannungsimpuls. Die Temperaturabhängigkeit der Ausstoßmenge wird von der Düsenkonfiguration des Flüssigkeitsausstoßkopfes und von den physikalischen Eigenschaften der Tinte bestimmt. Bei Temperaturerhöhung der Flüssigkeit nimmt deren Viskosität ab, so daß diese leichter ausgestoßen werden kann und somit die Ausstoßmenge steigt.
[Ausführungsform 1]
Bei der in 12A dargestellten Kopfkonfiguration ist ein Temperaturregulierelement 63 Bestandteil der die beiden Flüssigkeitskanäle 14, 16 voneinander trennenden Trennwand 30 mit integriertem beweglichen Element 31, welches die Flüssigkeiten in dessen Nähe direkt und gleichzeitig erwärmt, wobei durch Auswahl der geeigneten Wirkleistung aus 13 die gewünschte Temperatur zeitbezogen variiert wird.
Das Heizverhältnis zwischen dem ersten Flüssigkeitskanal 14 und dem zweiten Flüssigkeitskanal 16 kann durch eine auf die dem zweiten Flüssigkeitskanal 16 zugekehrte Fläche der Trennwand 30 und des beweglichen Elements 31 aufgetragenen Wärmeisolierschicht 30a und/oder 31a geeigneter Dicke und/oder aus geeignetem Material reguliert werden. Eine solche Konfiguration ist in 12B dargestellt. Das Regulieren kann in Abhängigkeit von den verwendeten Flüssigkeiten durchgeführt werden. Bevorzugt werden sollte die Verwendung einer mit der Wärmeisolierschicht 30a versehenen Trennwand 30 und eines mit der Wärmeisolierschicht 31a versehenen beweglichen Elements, obwohl eine solche Konfiguration nicht zwingend ist.
Als die in den Figuren angedeutete gemeinsame Flüssigkeitskammer 12 kann die erwähnte erste gemeinsame Flüssigkeitskammer dienen oder eine separate Kammer vorgesehen werden. Um einen möglichst kurzen Flüssigkeitskanal zu erhalten, sollte der Kopf nur mit einer gemeinsamen Kammer versehen werden.
14 zeigt die Steuerspannung, wobei das Wirkverhältnis die Zeit bedeutet, in welcher die Steuerspannung V₀ anliegt. Anstatt des Wirkverhältnisses der Steuerspannung kann auch das des Steuerstroms I₀ gesteuert werden.
15 zeigt den Ablauf der Temperaturregulierung. Die Temperatur T₁ des ersten Flüssigkeitskanals 14 und die Tem peratur T₂ des zweiten Flüssigkeitskanals 16 wird von nicht dargestellten Detektoren erfaßt. Der Detektor zum Erfassen der Temperatur T₁ des ersten Flüssigkeitskanals 14 kann auf der Trennwand, dem beweglichen Element, dem Düsentrennabschnitt oder der Deckplatte angeordnet werden. Als Detektor zum Erfassen der Temperatur T₂ des zweiten Flüssigkeitskanals 16 kann ein herkömmlicher Detektor, zum Beispiel der auf dem Substrat angeordnete Temperatursensor verwendet werden.
Aus den von den Detektoren erfaßten und einer A/D-Wandlung unterzogenen Temperaturen werden Temperaturdifferenzen ΔT₁ und ΔT₂ zu den Zieltemperaturen T₁₀ und T₂₀ berechnet. Die Zieltemperatur T₁₀ wird aus den physikalischen Eigenschaften der Ausstoßflüssigkeit und die Zieltemperatur T₂₀ aus den physikalischen Eigenschaften der Bläschenerzeugungsflüssigkeit bestimmt. Auf der Grundlage der so erhaltenen Temperaturdifferenzen ΔT₁ und ΔT₂ werden entsprechenden der in 16 gezeigten, vorher aufgestellten Tabelle die Wirkleistungsparameter 1 und 2 entnommen, wie aus 16 ersichtlich ist. Die Tabellen werden aus den physikalischen Eigenschaften der verwendeten Flüssigkeiten angefertigt.
Danach wird entsprechend dem kleineren der beiden Parameter 1 und 2 ein Impuls oder eine Spannung erzeugt und die Ausstoßflüssigkeit und die Bläschenerzeugungsflüssigkeit mit diesem bzw. dieser gespeist. Zum Zeitpunkt T₀ nach der vorhergehenden Temperaturerfassung werden die Temperaturen T₁ und T₂ erneut erfaßt.
In Abhängigkeit davon, ob die Spannung V₀ oder der Strom I₀ gesteuert wird, kann das geeignete Wirkleistungsverhältnis variieren. Die Temperaturregulierung ist aber nicht auf das beschriebene Verfahren beschränkt, sondern kann auch auf an dere Weise, zum Beispiel durch Variieren des Größe des Wärmeausstoßes durchgeführt werden.
Wenn das Heizverhältnis zwischen der Ausstoßflüssigkeit und der Bläschenerzeugungsflüssigkeit durch eine Trennwand oder ein bewegliches Element, welche mit einer Wärmeisolierschicht versehen sind, durch eine Trennwand mit Wärmeisoliereigenschaft und mit einem in der ersten Flüssigkeitskammer angeordneten Wärme erzeugenden Element reguliert wird, sollte die Wärmeisolierschicht oder die Wärmeisoliereigenschaft so gewählt werden, daß gegenseitig enge Wirkleistungsparameter 1, 2 sich ergeben. In diesem Fall werden die Wirkleistungsparameter 1, 2 aus der physikalischen Eigenschaft oder der Art der Ausstoßflüssigkeit bzw. der Bläschenerzeugungsflüssigkeit bestimmt, während die Temperatur mit Bedeutung aus der konzipierten Leistung ermittelt wird.
Die Temperaturregulierung der Ausstoßflüssigkeit und der Bläschenerzeugungsflüssigkeit kann lediglich mit dem Temperaturregulier-Heizelement durchgeführt werden, während in dem Fall, daß nur die Temperatur der Bläschenerzeugungsflüssigkeit unter der Zieltemperatur T₂₀ liegt, das bläschenerzeugende Heizelement mit einem Impuls gespeist wird, welcher kein Bläschen erzeugt, oder die Erwärmung mit dem Substratheizelement erfolgt.
Die Trennwand 30 und das bewegliche Elements 31 können mit einem Widerstandelement ähnlich dem Bläschenerzeugungs-Heizelement 2, welches das Temperaturregulier-Heizelement 63 bildet, versehen werden, doch es besteht auch die Möglichkeit, die gesamte Trennwand 30 als elektrothermisches Umwandlungselement 63 auszuführen, wie 17 zeigt. Jedoch stellen beide Möglichkeiten keine Beschränkung dar. Bei der in 17 dargestellten Konfiguration ist die gesamte Flä che der Trennwand 30 zwischen den elektrischen Verdrahtungen 62 an beiden seitlichen Enden als elastisches Widerstandselement ausgeführt und wird zur Erzeugung von Wärme mit Strom gespeist. Die Art der Stromzufuhr spielt keine Rolle, sofern die gesamte Fläche der Trennwand 30 oder ein Teil davon im Raum zwischen den Düsen erwärmt wird. Es besteht auch die Möglichkeit, das bewegliche Element 31 mit einer Widerstandsleitung (elektrothermisches Umwandlungselement) 61 zu bestücken, wie 18 zeigt. Von den in einer bestimmten Anzahl von Düsen angeordneten beweglichen Elementen 31 sind in den 17 und 18 nur fünf dargestellt. Bei der Temperaturregulierung in einem herkömmlichen Kopf mit Bläschenerzeugungs-Heizelement 2 oder Substratheizelement ist für die Ausstoßflüssigkeit die Ansprechzeit nicht ausreichend kurz und die Temperatursteuerung nicht präzis, da die Ausstoßflüssigkeit nur durch Wärmeleitung über die Bläschenerzeugungsflüssigkeit und die Trennwand 30 erfolgt. Diese Nachteile treten bei dieser Ausführungsform nicht auf, da das Wärme erzeugende Element 63 die um dieses vorhandene Ausstoßflüssigkeit direkt erwärmt und deren Viskosität in entsprechender Ansprechzeit ändert.
Die Trennwand 30 und das bewegliche Element 61 mit integriertem Temperaturregulier-Heizelement 63 stehen sowohl mit der Ausstoßflüssigkeit im ersten Flüssigkeitskanal 14 als auch mit der Bläschenerzeugungsflüssigkeit im zweiten Flüssigkeitskanal 16 in Verbindung, so daß dieses Heizelement 63 zur Temperaturregulierung der Ausstoßflüssigkeit und der Bläschenerzeugungsflüssigkeit verwendet werden kann. Deshalb muß die Temperaturregulierung der Bläschenerzeugungsflüssigkeit nicht vom Bläschenerzeugungsheizelement 2 oder vom Substratheizelement durchgeführt werden, so daß eine einfachere Konfiguration sich ergibt. Das Temperaturregulier-Heizelement 63 muß nicht unbedingt ein elektrothermischer Wandler, sondern kann auch ein Hochfrequenz-Thermo-Wandler als Bestandteil der Trennwand 30 oder des beweglichen Elements 31 sein, welches von der Deckplatte 64 aus durch eine Hochfrequenzwelle erwärmt wird. In diesem Fall können die sonst für den elektrothermischen Wandler benötigten Verdrahtungen entfallen, so daß eine mechanische Feinbearbeitung in Düsennähe sich nicht erforderlich macht.
Bei den Bezugsbeispielen und der Ausführungsform, welche bisher beschrieben wurden, gibt es für die Temperaturregulierung der Flüssigkeiten in den beiden Flüssigkeitskanälen 14, 16 keine Vorgaben, da die Flüssigkeitstemperaturen in Abhängigkeit von den Flüssigkeitseigenschaften wie Zusammensetzungen variieren und nicht eindeutig bestimmt werden können, sondern sich aus der Konstruktion ergeben. Eine bevorzugte Temperatur der ersten Flüssigkeit sind 45 °C, während die Temperatur einer stark viskosen Flüssigkeit 50 °C betragen sollte. Diese Temperatur kann aber auch aus der Eigenschaft einer solchen Flüssigkeit bei Raumtemperatur (25 °C) ermittelt werden. Eine bevorzugte Temperatur der zweiten Flüssigkeit sind etwa 40 °C, wenn zur Stabilisierung der Bläschenerzeugung die Steuerung durch Impulsbreitenmodulation erfolgt. Auch wenn die erste Flüssigkeit und die zweite Flüssigkeit gleich sind, kann der erste Flüssigkeitskanal eine andere Temperatur haben als der zweite Flüssigkeitskanal.
[Ausführungsform 2]
Bei dieser Ausführungsform werden durch Steuerung der Druckfortpflanzungsrichtung und des Bläschenwachstums die Ausstoßkraft und die Ausstoßeffizienz verbessert.
Die 19A bis 19D zeigen schematisch die Schnittansicht des Flüssigkeitsausstoßkopfes dieser Ausführungsform, während in 20 dieser Flüssigkeitsausstoßkopf perspektivisch und teilweise in der Schnittansicht dargestellt ist.
Bei diesem Flüssigkeitsausstoßkopf ist auf einem Elementsubstrat 1 ein Flüssigkeitskanal 10 angeordnet, welcher zu einer Ausstoßöffnung 18 und einer gemeinsamen Flüssigkeitskammer 13 zum Versorgen der zahlreichen Flüssigkeitskanälen 10 mit Flüssigkeit entsprechend der ausgestoßenen Flüssigkeitsmenge Verbindung hat.
Im Flüssigkeitskanal 10 ist ein bewegliches Element 31 aus einem elastischen Material wie Metall in Form eines plattenähnlichen Kragarms angeordnet. Die dem Elementsubstrat 1 gegenüber liegende Fläche des beweglichen Elements 31 ist mit einem Wärme erzeugenden Element 2 (bei dieser Ausführungsform ein Widerstandselement mit den Abmessungen 40 × 105 μm) zur Erzeugung der für das Ausstoßen erforderlichen Wärme bestückt. Ein auf einer Wand im Flüssigkeitskanal oder auf dem Elementsubstrat durch Bemusterung eines lichtempfindlichen Kunstharzes Musterbildung erzeugtes Stützelement 34 dient als Lagerstelle für ein Ende des beweglichen Elements 31 und als dessen Auslenkpunkt 33.
Das bewegliche Element 31 hat zum Elementsubstrat 1 einen Abstand von etwa 15 μm, wobei dessen Auslenkpunkt 33 sich nahe der gemeinsamen Flüssigkeitskammer 13 befindet und dessen freies Ende 32 auf die Ausstoßöffnung gerichtet ist. Der Raum zwischen dem Wärme erzeugenden Element 2 und dem beweglichen Element 31 bildet den Bläschenerzeugungsbereich. Art, Form und Anordnung des Wärme erzeugenden Elements 2 und des beweglichen Elements 31 sind nicht auf die dargestellten beschränkt, sondern können willkürlich gewählt werden, wenn die Druckfortpflanzung und das Bläschenwachstum entsprechend gesteuert werden. In diesem Kopf wird vom beweglichen Ele ments 31 der Flüssigkeitskanal 10 in einen mit der Ausstoßöffnung 18 in Verbindung stehenden ersten Flüssigkeitskanal 14 und einen den Bläschenerzeugungsbereich 11 und den Flüssigkeitszuführkanal 12 einschließenden zweiten Flüssigkeitskanal 16 unterteilt.
Die vom Wärme erzeugenden Element 2 erzeugte Wärme wird auf die zwischen diesem und dem beweglichen Element 31 vorhandene Flüssigkeit übertragen und dabei durch das im amerikanischen Dokument 4,723,129 offenbarte Filmsieden ein Bläschen in der Flüssigkeit erzeugt. Das Bläschen und der aus der Bläschenerzeugung resultierende Druck wirken hauptsächlich auf das bewegliche Element 31, welches um den Auslenkpunkt 33 in den Flüssigkeitskanal 14 ausgelenkt wird, wie aus den 19B, 19C und 20 hervor geht. Entlang des ausgelenkten beweglichen Elements 31 wird der aus der Bläschenerzeugung resultierende Druck und das Wachstum des Bläschens selbst auf die Ausstoßöffnung 18 gerichtet.
Nachfolgend wird eines der Ausstoßgrundprinzipien der vorliegenden Erfindung beschrieben. Dieses Ausstoßprinzip basiert auf dem Auslenken des beweglichen Elements 31 durch das erzeugte Bläschen oder den aus der Bläschenerzeugung resultierende Druck aus einer ersten Stellung in eine zweite Stellung, wodurch der Druck des Bläschens 40 sich in die in 8 angedeutete Richtungen V₁ – V₄, d.h. konzentriert in Richtung V_A ausbreitet und direkt und effizient zum Ausstoßen beiträgt. Das Bläschen 40 selbst wächst mehr in Richtung V_A als in die entgegengesetzte Richtung. Mit anderen Worten, das bewegliche Element 31 verbessert durch Steuerung des Bläschenwachstums die Ausstoßeffizienz wesentlich und bewirkt eine größere Ausstoßkraft und eine höhere Ausstoßgeschwindigkeit.
Der Ausstoßvorgang bei diesem Ausstoßkopf gemäß der vorliegenden Erfindung wird anhand der 19A bis 19D nachfolgend detailliert beschrieben.
19A zeigt den Zustand vor dem Speisen des Wärme erzeugenden Elements 2 mit Elektroenergie zum Beispiel, d.h. vor der Erzeugung von Wärme durch dieses. Wichtig ist, daß in diesem Zustand das bewegliche Element 31 mindestens dem hinteren Abschnitt des Wärme erzeugenden Elements 2 gegenüber liegt, d.h. vom hinteren Abschnitt des erzeugten Bläschens 40 berührt wird.
19B zeigt den Zustand, in welchem das Wärme erzeugende Element 2 mit Elektroenergie gespeist, durch Filmsieden im Bläschenerzeugungsbereich 11 ein Bläschen 40 erzeugt und von diesem das bewegliche Element 31 aus der ersten Stellung in eine zweite Stellung ausgelenkt wurde, um den aus der Bläschenerzeugung resultierenden Druck auf die Ausstoßöffnung zu richten. Wichtig ist, wie bereits erwähnt, daß das freie Ende 32 des beweglichen Elements 31 auf die Ausstoßöffnung gerichtet ist und der Auslenkpunkt 33 sich auf der Seite der gemeinsamen Flüssigkeitskammer befindet, damit mindestens ein Teil des beweglichen Elements 31 sich dem hinteren Abschnitt des Bläschens 40 gegenüber liegt.
19C zeigt den Zustand, in welchem das Bläschen 40 weiter gewachsen und durch den Druck das bewegliche Element 31 weiter ausgelenkt wurde. Das erzeugte Bläschen 40 ist mehr in Richtung Ausstoßöffnung als in die entgegengesetzte Richtung, d.h. über die durch die gestrichelte Linie angedeutete erste Stellung des beweglichen Elements 31 hinaus gewachsen. Durch das allmähliche Auslenken des beweglichen Elements 31 im Verlaufe des Anwachsens des Bläschens 40 wird der Druck entlang dem freien Ende 32 auf die Ausstoßöffnung 18 gerich tet und dadurch die Ausstoßeffizienz verbessert. Mit anderen Worten, das bewegliche Element 31 steuert das Bläschenwachstum und die Druckausbreitung effektiv in Richtung Ausstoßöffnung.
19D zeigt den Zustand, in welchem das durch Filmsieden erzeugte Bläschen nahezu verschwunden ist. Beim Zusammenfallen des Bläschens kehrt das in die zweite Stellung geschwenkte bewegliche Element 31 durch Elastizität in die in 19A dargestellte Ausgangsstellung zurück und entsprechend der ausgestoßenen Flüssigkeitsmenge strömt Flüssigkeit von der Zuführseite B oder aus der gemeinsamen Flüssigkeitskammer in den Richtungen V_D1 und V_D2 nach und von der Ausstoßöffnung 18 her in Richtung V_C zum Bläschenerzeugungsbereich 11 zurück.
Nachfolgend wird anhand der 19A bis 19D auf das Flüssigkeitsauffüllen beim Ausstoßkopf gemäß der vorliegenden Erfindung näher eingegangen.
Wenn das Bläschen 40 aus dem in 19C dargestellten Zustand, in welchem dessen Volumen am größten ist, zusammenfällt, strömt von der Ausstoßöffnung 18 her Flüssigkeit in den ersten Flüssigkeitskanal 14 zurück und von der gemeinsamen Flüssigkeitskammer 13 des zweiten Flüssigkeitskanals 16 Flüssigkeit nach. Bei einem Flüssigkeitskanal herkömmlicher Konfiguration, d.h. ohne bewegliches Element 31, wird die beim Zusammenfallen des Bläschens von der Ausstoßöffnung 18 zurückströmende Flüssigkeitsmenge und die von der gemeinsamen Flüssigkeitskammer nachströmende Flüssigkeitsmenge vom Strömungswiderstand im jeweiligen Kanalabschnitt und von der Trägheit der Flüssigkeit bestimmt.
Wenn der Strömungswiderstand im Kanalabschnitt zwischen der Ausstoßöffnung und dem Bläschenerzeugungsbereich gering ist, strömt beim Zusammenfallen des Bläschens eine große Flüssigkeitsmenge in diesem Kanalabschnitt zurück, so daß der Meniskus weit zurückgezogen wird. Wenn zur Verbesserung der Ausstoßeffizienz ein geringer Strömungswiderstand für diesen Kanalabschnitt gewählt wird, steigt die Auffüllzeit, welche Hochgeschwindigkeitsaufzeichnen beeinträchtigt.
Dagegen wird bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durch das bewegliche Element 31 das Zurückziehen des Meniskus M gestoppt, wenn dieses beim Zusammenfallen des Bläschens in die Ausgangsstellung zurückkehrt, und das Bläschenvolumen W in ein Volumen W1 und ein Volumen W2 unterteilt, wobei das Volumen W2 durch das Nachströmen von Flüssigkeit in Richtung V_D2 in den zweiten Flüssigkeitskanal 16 aufgefüllt wird. Demzufolge kann die Rückzugsgröße des Meniskus M, welche bei der herkömmlichen Konfiguration die Hälfte von W beträgt, bei der Konfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung auf etwa die Hälfte des kleineren Volumens W1 verringert werden.
Das Auffüllen des Volumens W2 beim Zusammenfallen des Bläschens erfolgt prinzipiell von der gemeinsamen Flüssigkeitskammer entlang der auf das Wärme erzeugende Element 2 gerichteten Seite des beweglichen Elements 31 (V_D2) und demzufolge sehr schnell.
Bei einem Herkömmlichen Kopf ist während des Auffüllens beim Zusammenfallen des Bläschens ein starkes Schwingen des Meniskus zu verzeichnen, welches die Bildqualität beeinträchtigt. Dagegen wird beim Hochgeschwindigkeitsauffüllen gemäß der vorliegenden Erfindung das Schwingen des Meniskus an der Ausstoßöffnung 18 dadurch minimiert, daß das bewegliche Ele ment eine Flüssigkeitsbewegung zwischen dem ersten Flüssigkeitskanal 14 und dem Bläschenerzeugungsbereich 11 unterdrückt.
Wie bereits erwähnt, erfolgt gemäß der vorliegenden Erfindung das Zwangsauffüllen des Bläschenerzeugungsbereichs 11 im zweiten Flüssigkeitskanal 16 über den Abschnitt 12, so daß ein Schwingen und Zurückziehen des Meniskus unterdrückt, stabiles Ausstoßen bei hoher Geschwindigkeit und damit Hochgeschwindigkeitsdrucken gewährleistet und eine gute Bildqualität erreicht wird.
Ein weiterer Vorteil dieser Erfindung besteht darin, daß das bewegliche Element 31 eine Druckausbreitung in Richtung gemeinsame Flüssigkeitskammer (Gegenwelle) unterdrückt und dadurch stabiles Auffüllen gewährleistet wird.
Nachfolgend werden weitere Merkmale und Effekte dieser Ausführungsform beschrieben.
Bei dieser Ausführungsform weist der zweite Flüssigkeitskanal 16 einen Flüssigkeitszuführabschnitt 12 auf, welcher im Bereich des Wärme erzeugenden Elements 2 flach ausgeführt ist, wodurch diesem und dem Bläschenerzeugungsbereich 11 entlang dem beweglichen Element 31 Flüssigkeit zugeführt wird. Durch diese Art der Flüssigkeitszuführung wird ein Stagnieren der Flüssigkeit auf der Oberfläche des Wärme erzeugenden Elements 2 unterdrückt, somit Überhitzen der Flüssigkeit und Austreten des in dieser gelösten Gases sowie das Verbleiben eines sogenannten Restbläschens verhindert. Dadurch kann die Bläschenerzeugung bei hoher Geschwindigkeit wiederholt und stabil gewährleistet werden. Bei dieser Ausführungsform ist im zweiten Flüssigkeitskanal ein Flüssigkeitszuführabschnitt 12 mit einer flachen Innenwand vorhan den, doch es kann auch ein Flüssigkeitszuführkanal mit einer glatt zur Oberfläche des Wärme erzeugenden Elements 2 übergehenden Innenwand gewählt werden, um Stagnation der Flüssigkeit auf diesem und Turbulenzen bei der Flüssigkeitszuführung zu verhindern.
Das Auffüllen des Bläschenerzeugungsbereichs 11 erfolgt auch durch den seitlichen Schlitz 35 am beweglichen Element 31 aus der Strömung V_D1. Wenn aber ein großes, den gesamten Bläschenerzeugungsbereich 11 überdeckendes bewegliches Element 31 wie in 1 dargestellt verwendet wird, um den Bläschendruck effektiv auf die Ausstoßöffnung 18 zu lenken und eine hohe Ausstoßeffizienz zu erreichen, ergibt sich beim Zurückschwenken des beweglichen Elements 31 in die Ausgangsstellung ein großer Strömungswiderstand zwischen dem Bläschenerzeugungsbereich und dem nahe an der Ausstoßöffnung liegenden Abschnitt des ersten Flüssigkeitskanals 14.
Das bewegliche Element 31 ist zum Beispiel wie in 22 dargestellt ausgeführt, d.h., in Flüssigkeitsströmungsrichtung gesehen liegt dessen Auslenkpunkt 33 vor dessen freiem Ende 32. Dadurch können die Druckausbreitung und das Wachsen des Bläschens effektiv auf die Ausstoßöffnung 18 gerichtet werden. Eine solche Konfiguration setzt der im Flüssigkeitskanal strömenden Flüssigkeit einen geringen Strömungswiderstand entgegen, so daß Hochgeschwindigkeitsauffüllen gewährleistet wird. Mit anderen Worten, das bewegliche Element 31 beeinträchtigt die Flüssigkeitsströme S1 und S2 im ersten Flüssigkeitskanal 14 und den Flüssigkeitsstrom S3 im zweiten Flüssigkeitskanal 16 nicht, wenn durch Kapillarwirkung beim Zusammenfallen des Bläschens der Meniskus M sich zur Ausstoßöffnung 18 zurück zieht.
Auch bei dieser Ausführungsform mit einem an einer Fläche des beweglichen Elements 31 angeordneten Wärme erzeugenden Element 2 liegt das freie Ende des beweglichen Elements im hinteren Abschnitt des Bläschenerzeugungsbereichs. Folglich wird der im hinteren Abschnitt des Bläschenerzeugungsbereichs auftretenden und wesentlich zum Ausstoßen beitragende Druck vom beweglichen Element aufgenommen und auf die Ausstoßöffnung gerichtet und dadurch die Ausstoßkraft erhöht und Ausstoßeffizienz grundlegend verbessert.
Auch der vordere Teil des erzeugten Bläschens bringt verschiedene Effekte.
Es wird angenommen, daß bei dieser Ausführungsform auch das momentane Auslenken des freien Endes des beweglichen Elements 31 zum Flüssigkeitsausstoßen beiträgt.
[Ausführungsform 3]
Nachfolgend wird anhand der beiliegenden Zeichnungen eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der vorhergehenden nicht im Ausstoßprinzip, sondern darin, daß in einem der beiden Flüssigkeitskanäle eine Bläschenerzeugungsflüssigkeit zur Erzeugung eins Bläschens durch Aufbringen von Wärme und im anderen eine nur zum Ausstoßen verwendete Ausstoßflüssigkeit geführt wird.
23 zeigt die Schnittansicht des Flüssigkeitsausstoßkopfes dieser Ausführungsform entlang des Flüssigkeitskanals.
Auf dem Elementsubstrat 1 dieses Kopfes ist ein zweiter Flüssigkeitskanal 16 für die Bläschenerzeugungsflüssigkeit und über diesem ein mit einer Ausstoßöffnung 18 verbundener erster Flüssigkeitskanal 14 angeordnet.
Jeder der zahlreichen ersten Flüssigkeitskanal 14 ist an eine gemeinsame Flüssigkeitskammer 15 für die Ausstoßflüssigkeit und jeder der zahlreichen zweiten Flüssigkeitskanal 16 an eine zweite gemeinsame Flüssigkeitskammer für die Bläschenerzeugungsflüssigkeit angeschlossen.
Wenn aber als Ausstoßflüssigkeit und als Bläschenerzeugungsflüssigkeit die gleiche Flüssigkeit verwendet wird, können die beiden gemeinsamen Flüssigkeitskammern vereint werden.
Zwischen dem ersten Flüssigkeitskanal 14 und dem zweiten Flüssigkeitskanal 16 ist eine Trennwand 30 aus einem elastischen Material wie Metall angeordnet, welche beide Kanäle voneinander trennt. Wenn die Bläschenerzeugungsflüssigkeit und die Ausstoßflüssigkeit sich nur in geringem Maße mischen dürfen, muß die Trennwand 30 beide Flüssigkeiten so gut wie möglich voneinander trennen, was beim zulässigen intensiveren Mischen nicht unbedingt erforderlich ist.
Die auf den Ausstoßenergie erzeugenden Bereich A und dem Bläschenerzeugungsbereich 11 (B) gerichtete Fläche des beweglichen Elements 31 ist mit einem Wärme erzeugenden Element 2 für die Bläschenerzeugungsflüssigkeit versehen, wobei das bewegliche Element 31 selbst die Form eines Kragarms hat und von einem Schlitz 35 umgeben ist, das freie Ende 32 auf die Ausstoßöffnung 18 gerichtet ist und der Auslenkpunkt 33 nahe den gemeinsamen Flüssigkeitskammern (15, 17) liegt. Das dem Bläschenerzeugungsbereich 11 (B) gegenüber angeordnete bewegliche Element 31 wird von dem in der Bläschenerzeu gungsflüssigkeit erzeugten Bläschen in Pfeilrichtung in den ersten Flüssigkeitskanal 14 ausgelenkt.
Die Anordnung des Auslenkpunktes 33 und des freien Endes 32 in bezug auf das Wärme erzeugende Element entspricht jener der vorhergehenden Ausführungsform.
Bei dieser Ausführungsform entspricht die positionelle Beziehung zwischen dem zweiten Flüssigkeitskanal 16 und dem Wärme erzeugenden Element 2 der positionellen Beziehung zwischen dem Flüssigkeitszuführkanal 12 und dem Wärme erzeugenden Element 2 bei der vorhergehenden Ausführungsform.
Nachfolgend wird anhand der 24A und 24B die Erzeugung der für das Ausstoßen von Flüssigkeit erforderlichen Wärme bei dieser Ausführungsform beschrieben.
Bei dieser Ausführungsform wird im ersten Flüssigkeitskanal 14 die gleiche Ausstoßflüssigkeit und im zweiten Flüssigkeitskanal 16 die gleiche Bläschenerzeugungsflüssigkeit wie bei der vorhergehenden Ausführungsform verwendet.
Die vom Wärme erzeugenden Element 2 erzeugte und auf die im Bläschenerzeugungsbereich vorhandene Bläschenerzeugungsflüssigkeit übertragene Wärme erzeugt durch das im amerikanischen Dokument 4,723,129 offenbarte Filmsieden ein Bläschen 40.
Da bei dieser Ausführungsform der erzeugte Druck sich nicht in drei Richtungen aus dem Bläschenerzeugungsbereich ausbreiten kann, ausgenommen in Richtung der gemeinsamen Flüssigkeitskammern, sondern konzentriert auf das bewegliche Element 31 wirkt, wird von diesem das bewegliche Element 31 aus der in 24A dargestellten Lage in die in 24B dargestellte Lage, d.h. in den ersten Flüssigkeitskanal 14 ausgelenkt. Dadurch wird die Verbindung zwischen dem ersten Flüssigkeitskanal 14 und dem zweiten Flüssigkeitskanal 16 hergestellt und der aus der Bläschenerzeugung resultierende Druck grundsätzlich zur Ausstoßöffnung am Ende des ersten Flüssigkeitskanals 14, d.h. in Richtung A gelenkt. Mit dem Ausbreiten des Drucks und dem mechanischen Auslenken des beweglichen Elements 31 wird aus der Ausstoßöffnung 18 Flüssigkeit ausgestoßen.
Beim Zusammenfallen des Bläschens kehrt das bewegliche Element 31 in die Ausgangsstellung zurück, so daß von der gemeinsamen Flüssigkeitskammer Ausstoßflüssigkeit entsprechend der ausgestoßenen Menge in den ersten Flüssigkeitskanal nachströmt. Auch bei dieser Ausführungsform stellt das bewegliche Element 31 kein Hindernis für die in Schließrichtung nachströmende Flüssigkeit dar.
Diese Ausführungsform entspricht hinsichtlich der erzielten Haupteffekte, der Druckausbreitung, der Wachstumsrichtung des Bläschens 40 und des Verhinderns der Gegenwelle durch das bewegliche Element der ersten Ausführungsform, bringt aber durch die Zweikanalkonstruktion weiter Vorteile, auf welche nachfolgend näher eingegangen wird.
Ein Vorteil besteht darin, daß die Ausstoßflüssigkeit sich von der Bläschenerzeugungsflüssigkeit unterscheiden kann und die Ausstoßflüssigkeit durch den aus der Bläschenerzeugung in der Bläschenerzeugungsflüssigkeit resultierende Druck ausgestoßen wird. Deshalb kann im ersten Flüssigkeitskanal 14 auch eine stark viskose Flüssigkeit wie Polyäthylenglykol, welche keine gute Bläschenerzeugungseigenschaft hat, als Ausstoßflüssigkeit verwendet werden, während im zweiten Flüssigkeitskanal 16 eine Flüssigkeit mit guter Bläschener zeugungseigenschaft (z.B. ein Äthanol-Wasser-Gemisch im Verhältnis 4:6 mit einer Viskosität von 1-2 cP) oder eine Flüssigkeit mit niedrigem Siedepunkt verwendet wird.
Als Bläschenerzeugungsflüssigkeit kann auch eine Flüssigkeit verwendet werden, welche auf der Oberfläche des Wärme erzeugenden Elements nicht verkrackt, aber trotzdem die für das Ausstoßen der Ausstoßflüssigkeit erforderliche stabile Bläschenerzeugung gewährleistet.
Bei dieser Ausführungsform können verschiedene Flüssigkeiten, auch stark viskose Flüssigkeiten verwendet und trotzdem eine große Ausstoßkraft und eine hohe Ausstoßeffizienz erreicht werden.
Als Ausstoßflüssigkeit kann auch eine gegen Wärme empfindliche Flüssigkeit und als Bläschenerzeugungsflüssigkeit eine thermisch stabile Flüssigkeit mit guter Bläschenerzeugungseigenschaft verwendet werden.
[Ausführungsform 4]
Nachfolgend wird eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Ein Kopf dieser Ausführungsform ist in 25 schematisch und perspektivisch dargestellt.
Im Gegensatz zu Kopf der ersten Ausführungsform und zum Kopf der zweiten Ausführungsform, d.h. zu Kantenschuß-Typen, bei welchen die Flüssigkeit rechtwinklig zur Bläschenerzeugungsrichtung ausgestoßen wird, ist der Kopf dieser Ausführungsform ein sogenannter Seitenschuß-Typ, bei welchem die Ausstoßöffnung 18 im wesentlichen parallel zur Bodenfläche des Flüssigkeitskanals angeordnet ist. Die Anordnung des beweg lichen Elements entspricht jener bei der ersten und der dritten Ausführungsform, jedoch wird bei dieser Ausführungsform ein bewegliches Element 831 verwendet, welches auf der zu einem Elementsubstrat 801 gerichteten Fläche mit einem Wärme erzeugenden Element 802 (bei dieser Ausführungsform 48 × 46 μm) zur Erzeugung eines Bläschens 840 durch das im amerikanischen Dokument 4,723,129 offenbarten Filmsieden versehen ist. In einer mit Nickel beschäumten Platte 814 ist eine Ausstoßöffnung 818 vorhanden.
Zwischen der Ausstoßöffnungsplatte 814 und dem Substrat 801 ist ein mit der Ausstoßöffnung 818 direkt verbundener Flüssigkeitskanal 810 angeordnet. Bei dieser Ausführungsform wird eine wäßrige Tinte als Ausstoßflüssigkeit verwendet.
Ein bewegliches Element 831 aus einem elastischen Material wie Metall in Form eines Kragarms ist im Flüssigkeitskanal 810 angeordnet. Bei dieser Ausführungsform ist das bewegliche Element mit Nickel in einer Dicke von 5 μm beschichtet. Das Ende 805a des beweglichen Elements ist auf einem durch Bemusterung eines lichtempfindlichen Kunstharzes auf dem Substrat 801 erzeugten Stützelement 805b befestigt. Zwischen dem beweglichen Element 831 und dem Substrat 801 ist ein Spalt von etwa 15 μm vorhanden.
Eine der Wärmeerzeugungsfläche des beweglichen Elements 831 gegenüberliegende Wand 815a dient als Auflage für dessen freies Ende 806a. Das freie Ende 806a liegt in Höhe der Ausstoßöffnung 818, der Auslenkpunkt 806b nahe der gemeinsamen Flüssigkeitskammer (nicht dargestellt). Mindestens das freie Ende 806a des beweglichen Elements 831 nimmt den Bläschendruck auf.
In der nachfolgenden Beschreibung wird im Ausgangszustand des beweglichen Elements 831 der unterhalb der Ausstoßöffnung liegende Raum mit „A", der oberhalb des Wärme erzeugenden Elements liegende Raum mit „B" bezeichnet.
Wenn vom Wärme erzeugenden Element 802 im Raum B Wärme und dadurch ein Bläschen erzeugt wird, schwenkt mit dem Wachsen des Bläschens das bewegliche Element 831 sofort um den Auslenkpunkt 806b in den Raum A, so daß aus der Ausstoßöffnung 818 Flüssigkeit ausgestoßen wird.
Bei dieser Ausführungsform liegt das freie Ende 806a des beweglichen Elements etwa an der Mittellinie der Ausstoßöffnung 818.
Über die auf dem beweglichen Element 831 angeordneten Verdrahtungselektroden (nicht dargestellt) wird das Wärme erzeugende Element 802 als elektrothermischer Wandler mit einem elektrischen Signal gespeist.
Das Ausstoßgrundprinzip dieser Ausführungsform entspricht jenem der in den 7 und 21 dargestellten Ausführungsformen und basiert auf dem Auslenken des beweglichen Elements 831 durch das erzeugte Bläschen oder den daraus resultierenden Druck aus einer ersten Lage in eine zweite Lage, um den Druck auf die Ausstoßöffnung zu lenken.
Nachfolgend wird anhand der 26A bis 26D, welche schematisch die Schnittansicht des Kopfes dieser Ausführungsform, zur Vereinfachung aber ohne Stützelement 805b zeigen, der Ausstoßvorgang beschrieben.
26A zeigt den Zustand vor dem Speisen des Wärme erzeugenden Elements 802 mit Elektroenergie zum Beispiel, d.h. vor der Erzeugung von Wärme.
26B zeigt den Zustand, in welchem das mit Elektroenergie gespeiste Wärme erzeugenden Element 802 Wärme erzeugt hat und durch Filmsieden ein Bläschen 840 gebildet wurde. Der aus der Bläschenerzeugung und dem Wachsen des Bläschens resultierende Druck wird grundsätzlich auf das bewegliche Element 831 gerichtet und dieses dadurch ausgelenkt, um Ausstoßflüssigkeit aus der Ausstoßöffnung 818 auszustoßen.
26C zeigt den Zustand, in welchem das Bläschen weiter gewachsen ist und das bewegliche Element 831 um den Auslenkpunkt 806b weiter ausgelenkt wurde. Durch das Auslenken des beweglichen Elements 831 in den Raum A wird dieser noch stärker als im Ausgangszustand mit dem Raum B verbunden. In diesem Zustand wird der Verbindungsweg wischen der Wärmeerzeugungsfläche und der Ausstoßöffnung 818 durch das bewegliche Element 831 eingeschränkt und dadurch die vom Bläschen 840 erzeugte Druckwelle konzentriert auf die Ausstoßöffnung 818 gerichtet. Durch das direkte Ausbreiten der Druckwelle und das daraus resultierende Auslenken des beweglichen Elements 831 wird aus der Ausstoßöffnung 818 Ausstoßflüssigkeit in Form eines Tröpfchens 811a mit hoher Geschwindigkeit, großer Kraft und effizient ausgestoßen, dargestellt in 26D.
Wie aus 26C hervor geht, erstreckt mit dem Auslenken des beweglichen Elements 831 in Richtung Ausstoßöffnung 818 ein Teil des im Raum B erzeugten Bläschens 840 sich in den Raum A. Durch entsprechende Wahl des Abstandes zwischen der Wärmeerzeugungsfläche des Wärme erzeugenden Elements 802 oder der Oberfläche des Substrats 801 und dem beweglichen Element 831 kann das Bläschen 840 sich in den Raum A bis zur Ausstoßöffnung erstrecken und dadurch die Ausstoßkraft erhöhen. Um das zu erreichen, sollte die Höhe des Raums B kleiner gewählt werden als die maximale Bläschenhöhe betragen, d.h. mehrere Mikrometer bis 30 Mikrometer.
26D zeigt den Zustand, in welchem das Bläschen 840 zusammengefallen und durch den dabei erzeugten Unterdruck und die Elastizität des beweglichen Elements dieses in die Ausgangsstellung zurückgekehrt ist. Da die daraus resultierende Gegenwelle den Flüssigkeitskanal 810 kaum beeinflußt, strömt Flüssigkeit entsprechend der ausgestoßenen Menge sofort nach.
Da bei dieser Ausführungsform das freie Ende 806a des beweglichen Elements 831 vor der Mittellinie des Ausstoßöffnung 818 liegt, kann dieses beim Auslenken nicht in die Ausstoßöffnung dringen, wie aus 26C ersichtlich ist. Durch wird das Wachsen des Bläschens 840 in Richtung Ausstoßöffnung 818 nicht behindert, so daß eine hohe Ausstoßleistung erreicht werden kann. Durch diese Konfiguration wird das Ausbreiten des Drucks in Richtung gemeinsame Flüssigkeitskammer (Gegenwelle) unterdrückt und stabiles Ausstoßen gewährleistet.
Nachfolgend wird das Nachströmen von Flüssigkeit im Kopf dieser Ausführungsform detailliert beschrieben.
Wenn das Bläschen 840 aus dem im Zustand mit Maximalvolumen zusammenfällt, strömt entsprechend dem Volumen des zusammenfallenden Bläschens von der Ausstoßöffnung 818 her und von der gemeinsamen Flüssigkeitskammer Flüssigkeit in den Flüssigkeitskanal 810 zurück bzw. nach. Wenn vom beweglichen Element 831 im Ausgangszustand das Volumen W des Bläschens 840 in einen oberen Anteil W1 und einen unteren Anteil W2 unterteilt wird und beim Zusammenfallen des Bläschens das bewegliche Element aus dem ausgelenkten Zustand in die Ausgangsstellung zurückkehrt, erfolgt das Auffüllen des verbliebenen Volumens W2 prinzipiell aus dem Raum zwischen dem beweglichen Element 831 und der Wärmeerzeugungsfläche, so daß zum Ausgleichen des Volumens W1 das Zurückziehen des Meniskus an der Ausstoßöffnung 818 stoppt, was erwünscht ist.
Bei dieser Ausführungsform kann das Volumen W2 prinzipiell auch durch den beim Zusammenfallen des Bläschens erzeugten Unterdruck kompensiert werden, und zwar entlang der Wärmeerzeugungsfläche des Wärme erzeugenden Elements 802 aus dem Flüssigkeitskanal 810. Bei einem herkömmlichen Kopf verursacht der Druck beim Zusammenfallen des Bläschens ein starkes Vibrieren des Meniskus, welches die Bildqualität beeinträchtigt. Dagegen wird trotz des bei dieser Ausführungsform ablaufenden Hochgeschwindigkeitsnachströmens ein Vibrieren des Meniskus minimiert und eine Verschlechterung der Bildqualität verhindert, da das bewegliche Element 831 eine Flüssigkeitsbewegung zwischen dem über diesem liegenden Raum A und dem unter diesem liegenden Raum B unterbindet, so daß Hochgeschwindigkeitsaufzeichnen gewährleistet werden kann.
[Ausführungsform 5]
Nachfolgend wird eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
27 zeigt schematisch die Schnittansicht des Kopfes der fünften Ausführungsform. Dieser Kopf entspricht dem Kantenschuß-Kopftyp der zweiten Ausführungsform, weist aber ein zusätzliches zweites Wärme erzeugendes Element 2002 auf, welches dem mit dem Wärme erzeugenden Element 2 (nicht dargestellt) bestückten beweglichen Element 31 gegenüber auf dem Substrat 1 angeordnet ist. In 27 ist der Zustand dargestellt, in welchem durch Speisen der beiden Wärme erzeugenden Elemente mit Energie ein Bläschen 40 und ein Bläschen 2040 erzeugt wurden. Alle weiteren Konfigurationen dieser Ausführungsform entsprechen jenen der zweiten Ausführungsform.
Bei dem mit den beiden Wärme erzeugenden Elementen 2 und 2002 ausgerüsteten Kopf können durch entsprechende Auswahl des Taktes zum Speisen dieser beiden Elemente verschiedener Steuerungen durchgeführt werden.
So kann zum Beispiel die Flüssigkeitsausstoßmenge auf drei Arten gesteuert werden:

1. Durch Speisen nur des Wärme erzeugenden Elements 2.
2. Durch Speisen nur des Wärme erzeugenden Elements 2002.
3. Durch Speisen beider Wärme erzeugender Elemente 2 und 2002.

Diese Stufensteuerung kann durch geeignete Auswahl der Dimensionen der beiden Wärme erzeugenden Elemente und Speisen dieser mit einer entsprechenden Energiemenge zur Bläschenerzeugung erfolgen, wodurch das Aufzeichnen in extrem guter Gradation möglich ist.
Im Gegensatz zu einem mit nur einem Wärme erzeugenden Element bestückten Aufzeichnungskopf kann bei einem mit den beiden Wärme erzeugenden Elementen 2, 2002 bestückten Kopf eine größere Flüssigkeitsmenge mit hoher Energie ausgestoßen werden.
Durch Auswahl des geeigneten Taktes der Energiezuführung zur Bläschenerzeugung kann die Ausstoßeffizienz weiter verbessert und ein Überströmen der Bläschenerzeugungsflüssigkeit in die Ausstoßflüssigkeit und somit Vermischen beider verhindert werden.
Zum Erreichen einer hohen Ausstoßeffizienz sollte das zweite Wärme erzeugende Element 2002 ein Bläschen 2040 erzeugen, welches das bewegliche Element 831 nur wenig auslenkt, während das Wärme erzeugende Element 2 ein Bläschen 40 zum Ausstoßen von Flüssigkeit erzeugen sollte. Da in diesem Fall das Bläschen 2040 das Auslenken des beweglichen Elements bewirkt hat, breitet der vom Wärme erzeugenden Element 2002 erzeugte Druck des Bläschens 40 sich fast direkt in Richtung Ausstoßöffnung aus und erhöht dadurch die Ausstoßleistung.
Um ein Vermischen der Bläschenerzeugungsflüssigkeit mit der Ausstoßflüssigkeit zu verhindern, sollte das Wärme erzeugende Element 2002 ein Bläschen 2040 erzeugen, dessen Größe den vom ausgelenkten beweglichen Element 831 erzeugten Spalt überdeckt, und dann das Wärme erzeugende Element 2 ein für das Ausstoßen von Flüssigkeit erforderliches Bläschen 40 erzeugen. In diesem Fall werden durch die Grenzschichtspannung die beiden Bläschen 2040 und 40 nicht miteinander vereint, so daß fast ausschließlich die im ersten Flüssigkeitskanal vorhandene Ausstoßflüssigkeit ausgestoßen wird.
[Ausführungsform 6]
Nachfolgend wird eine sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Die 28A und 28B zeigen schematisch die Schnittansicht des Kopfes der sechsten Ausführungsform, d.h. den Ausgangszustand und den Ausstoßzustand. Dieser Kopf entspricht dem in den 26A bis 26D dargestellten Seitenschuß-Typ der vierten Ausführungsform, weist aber ein zweites Wärme erzeugendes Element 1102 auf, welches dem beweglichen Ele ment 831 gegenüber auf dem Substrat 1 angeordnet ist, wobei das bewegliche Element 831 einen oberen Raum A und einen unteren Raum B erzeugt, welche unterschiedliche Flüssigkeiten führen (nachfolgend Ausstoßflüssigkeit bzw. Bläschenerzeugungsflüssigkeit genannt).
Bei dieser Ausführungsform entspricht die positionelle Beziehung zwischen dem Ende 806a des beweglichen Elements 831 und der Ausstoßöffnung 818 jener der vierten Ausführungsform, jedoch ist in der Nähe des Endes 806a des beweglichen Elements 831 eine Trennwand 804 angeordnet, welche in dem in 28A dargestellten Ausgangszustand das Vermischen der Ausstoßflüssigkeit und der Bläschenerzeugungsflüssigkeit verringert.
In 28B ist der Zustand dargestellt, in welchem durch Speisen der beiden Wärme erzeugenden Elemente 802, 1102 mit Energie ein Bläschen 40 und ein Bläschen 1140 erzeugt wurden.
Bei dem mit den beiden Wärme erzeugenden Elementen 802 und 11002 ausgerüsteten Kopf können durch entsprechende Auswahl des Taktes zum Speisen dieser beiden Elemente verschiedener Steuerungen durchgeführt werden.
Der Kopf dieser Ausführungsform mit dem auf dem beweglichen Element selbst angeordneten Wärme erzeugenden Element zur Bläschenerzeugung kann als Kantenschuß-Typ oder als Seitenschuß-Typ ausgeführt werden, wobei auch die Möglichkeit besteht, unterschiedliche Flüssigkeiten, d.h. eine Bläschenerzeugungsflüssigkeit und eine Ausstoßflüssigkeit zu verwenden. Jede dieser beiden Typen kann so konfiguriert werden, daß dem beweglichen Element gegenüber auf dem Elementsubstrat ein zweites Wärme erzeugendes Element wie bei der in
27 dargestellten fünften Ausführungsform und der in den 28A und 28B dargestellten sechsten Ausführungsform angeordnet wird.
Die Lage des beweglichen Elements bezüglich der Ausstoßöffnung ist auch nicht auf jene bei den vorhergehenden Ausführungsformen beschränkt, denn sie wird von der Ausstoßcharakteristik, d.h. von der Ausstoßgeschwindigkeit, der Ausstoßmenge und der Nachströmfrequenz der jeweiligen Aufzeichnungsvorrichtung bestimmt.
Nachfolgend werden die Merkmale der bisher beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, klassifiziert nach

(1) der Konfiguration, bei welcher das Wärme erzeugende Element auf dem bewegliche Element angeordnet ist,
(2) der Konfiguration, bei welcher ein Wärme erzeugendes Element auf dem Substrat und ein Wärme erzeugendes Element auf dem beweglichen Element angeordnet ist.

(1) Konfiguration, bei welcher das Wärme erzeugende Element auf dem beweglichen Element angeordnet ist:

1. Da das Wärme erzeugende Element auf dem beweglichen Element selbst angeordnet ist, wird das bewegliche Element von dem beim Speisen des Wärme erzeugenden Element mit Energie erzeugten Bläschen sicher ausgelenkt, so daß die gewünschte Ausstoßmenge und die gewünschte Ausstoßgeschwindigkeit gewährleistet werden.
2. Wenn die Ausstoßflüssigkeit sich von der Bläschenerzeugungsflüssigkeit unterscheidet, wächst das beim Speisen des Wärme erzeugenden Elements mit Energie erzeugte Bläschen zunächst nur in dem mit der Bläschenerzeugungsflüssigkeit gefüllten Flüssigkeitskanal, lenkt dann das bewegliche Element aus und schließt den Raum zwischen der Bläschenerzeugungs flüssigkeit und der Ausstoßflüssigkeit, so daß nur geringes Vermischen beider Flüssigkeiten vor der Ausstoßöffnung erfolgt. Auch wenn kein Ausstoßvorgang durchgeführt wird, verhindert das bewegliche Element ein Vermischen der beiden Flüssigkeiten miteinander ganz zuverlässig.

(2) Konfiguration, bei welcher ein Wärme erzeugendes Element auf dem beweglichen Element und ein Wärme erzeugendes Element auf dem Elementsubstrat angeordnet ist.

3. Wenn dem mit einem Wärme erzeugenden Element bestückten beweglichen Element gegenüber auf dem Elementsubstrat ein zusätzliches Wärme erzeugendes Element angeordnet wird, können beide Wärme erzeugenden Elemente separat mit Energie gespeist und dadurch die Ausstoßmenge und die Ausstoßgeschwindigkeit erhöht werden. Ausstoßmenge und Ausstoßgeschwindigkeit können durch Speisen nur eines der beiden Wärmeelemente oder beider mit Energie gesteuert werden, um Gradationsaufzeichnen zu ermöglichen.
4. Die beiden Wärme erzeugenden Elemente können so positioniert werden, daß diese in der Draufsicht die gleiche Lage haben, wobei bezüglich der Konfiguration und der Größe konstruktive Freiheit besteht. Auch wenn diese beiden Wärme erzeugenden Elemente die gleiche Größe haben wie die bei einer herkömmlichen Konfiguration verwendeten, können selbst bei einer größeren Anordnungsdichte und Länge der Düsen die Ausstoßmenge und die Ausstoßgeschwindigkeit gesteuert werden, um Hochgeschwindigkeitsnachströmen der Flüssigkeiten und Hochgeschwindigkeitsdrucken zu ermöglichen.
5. Die beiden Wärme erzeugenden Elemente können so positioniert werden, daß diese in der Draufsicht die gleiche Lage haben, und auch der eindimensionale Abstand zwischen der Ausstoßöffnung und der Mitte des Wärme erzeugenden Elements kann dem bei einer herkömmlichen Konfiguration gewählten entsprechen. Dieser Abstand ist ein wichtiger Faktor für die zu erreichende Ausstoßcharakteristik, d.h. für die Ausstoßgeschwindigkeit, die Ausstoßmenge und die Flüssigkeitsnachströmfrequenz, wobei die gleiche Lage der beiden Wärme erzeugenden Elemente in der Draufsicht optimale ist.
6. Wie bereits erwähnt, können Größe und Position der Mitte jedes dieser beiden Wärme erzeugenden Elemente wie bei einer herkömmlichen Konfiguration gewählt werden, doch zum Erreichen der gewünschten Verbesserungen resultiert daraus nur eine ganz geringe Erhöhung der Herstellungskosten.

[Weitere Ausführungsformen]
Bisher wurden bestimmte Ausführungsformen des Flüssigkeitsausstoßkopfes und Ausstoßverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die beschriebenen Flüssigkeitsausstoßköpfe sowohl in Einkanalkonstruktion als auch in Zweikanalkonstruktion können aber auch modifiziert werden, worauf nachfolgend näher eingegangen wird.
[Deckenform des Flüssigkeitskanals]
29 zeigt die Schnittansicht eines Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung entlang des Flüssigkeitskanals, bei welchem auf der Trennwand 30 ein mit Nuten als erste Flüssigkeitskanäle 14 versehenes Element 50 angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform ist die Decke des Flüssigkeitskanals in der Nähe des freien Endes 32 des beweglichen Elements 31 höher als in dessen anderen Abschnitten, um einen größeren Auslenkwinkel θ für das bewegliche Element zu erhalten. Der Auslenkbereich des beweglichen Elements 31 wird bestimmt von dessen Lebensdauer, von der Konstruktion des Flüssigkeitskanals, der Bläschenerzeugungslei stung usw., sollte aber den Winkel der Ausstoßöffnung 18 in Axialrichtung einschließen.
Wenn das freie Ende 32 des beweglichen Elements 31 wie in 29 dargestellt über den Durchmesser der Ausstoßöffnung 18 ausgelenkt werden kann, wird eine bessere Ausstoßleistung erzielt. Wenn außerdem die Decke des Flüssigkeitskanals am Auslenkpunkt 33 des beweglichen Elements 31 niedriger ausgeführt wird als im Abschnitt, in welchem das freie Ende des bewegliches Elements sich befindet, kann beim Auslenken des beweglichen Elements 31 die Erzeugung einer Druckwelle in Richtung gemeinsame Flüssigkeitskammer verhindert werden.
[Positionelle Beziehung zwischen dem zweiten Flüssigkeitskanal und dem beweglichen Element]
Die 30A bis 30D zeigen die positionelle Beziehung zwischen dem beweglichen Element 31 und dem zweiten Flüssigkeitskanal 16. 30A zeigt die Draufsicht der Trennwand 30 und des beweglichen Elements 31, 30B die Draufsicht des zweiten Flüssigkeitskanals 16 ohne Trennwand und 30C schematisch die positionelle Beziehung zwischen dem zweiten Flüssigkeitskanal 16 und dem über diesem angeordneten beweglichen Element 31. In diesen Figuren ist die Unterseite die mit der Ausstoßöffnung 18 versehene Frontseite des Kopfes.
Bei dieser Ausführungsform hat der zweite Flüssigkeitskanal 16 im Abschnitt vor dem Wärme erzeugenden Element 2 eine Einschnürung 19, welche die Ausbreitung des Bläschendrucks in Richtung gemeinsame Flüssigkeitskammer verhindert.
Bei einem herkömmlichen Kopf, welcher diese Einschnürung 19 aufweist und bei welchem für die Bläschenerzeugungsflüssig keit und die Ausstoßflüssigkeit derselbe Flüssigkeitskanal verwendet wird, darf hinsichtlich des Nachströmens von Flüssigkeit diese Einschnürung nicht sehr eng sein.
Dagegen kann bei dieser Ausführungsform hauptsächlich Ausstoßflüssigkeit ausgestoßen werden, während nur eine ganz geringe Bläschenerzeugungsflüssigkeit verbraucht wird. Demzufolge muß nur eine ganz geringe Bläschenflüssigkeit in den Bläschenerzeugungsbereich 11 des zweiten Flüssigkeitskanals nachströmen, so daß die Einschnürung 19 eine Breite von nur einigen Mikrometern bis weniger als zwanzig Mikrometer haben kann, somit der Druck sich nicht in Richtung gemeinsame Flüssigkeitskammer ausbreitet, sondern auf das bewegliche Element 31 konzentriert wird und dadurch die Ausstoßleistung und die Ausstoßeffizienz steigen. Der zweite Flüssigkeitskanal 16 ist jedoch nicht auf die dargestellte Form beschränkt, sondern kann willkürlich konfiguriert werden, wenn der Bläschendruck das Auslenken des beweglichen Elements 31 gewährleistet. Wenn eine geeignete Einengung 19 gewählt wird und die Drucksteuerung wie bei der ersten Ausführungsform erfolgt, kann das bewegliche Element 31 noch besser funktionieren.
Wie aus 30C hervor geht, überdeckt das bewegliche Element 31 seitlich einen Teil jeder Seitenwand des zweiten Flüssigkeitskanals und kann demzufolge nicht in diesen ausgelenkt werden, so daß die Ausstoßflüssigkeit noch effektiver von der Bläschenerzeugungsflüssigkeit getrennt wird. Dadurch wird ein Austreten des erzeugten Bläschens durch den um das bewegliche Element 31 vorhandenen Schlitz verhindert, somit der Ausstoßdruck erhöht und das Nachströmen von Flüssigkeit aus der gemeinsamen Flüssigkeitskammer erleichtert.
Wie aus den 4 und 29 hervor geht, erstreckt ein Teil des im Bläschenerzeugungsbereich des zweiten Flüssigkeitskanals 16 erzeugten Bläschens sich entlang des ausgelenkten beweglichen Elements 31 in den ersten Flüssigkeitskanal 14 und erhöht dadurch die Ausstoßleistung noch mehr. Um das Ausdehnen des Bläschens in den ersten Flüssigkeitskanal 14 zu gewährleisten, muß die Höhe des zweiten Flüssigkeitskanals 16 kleiner gewählt werden als die maximale Bläschenhöhe und sollte mehrere μm bis 30 μm betragen. Bei dieser Ausführungsform hat der zweite Flüssigkeitskanal 16 eine Höhe von 15 μm.
[Bewegliches Element und Trennwand]
Die 31A bis 31C zeigen weitere mögliche Formen des beweglichen Elements 31. Das bewegliche Element 31 wird durch einen Schlitz 35 in der Trennwand definiert. In 31A ist ein rechteckiges bewegliches Element, in 31B ein bewegliches Element mit einem schmalen Abschnitt am Auslenkpunkt zur Erleichterung des Auslenkens und in 31C ein bewegliches Element mit einem breiteren Abschnitt am Auslenkpunkt zur Erhöhung der Lebensdauer dargestellt. Um das Auslenken des beweglichen Elements 31 zu erleichtern und dessen Lebensdauer zu erhöhen, sollte der Abschnitt am Auslenkpunkt wie in 30A dargestellt bogenförmig ausgeführt werden, während die anderen Abschnitte willkürlich konfiguriert werden können, sofern diese ein Auslenken des beweglichen Elements in den zweiten Flüssigkeitskanal verhindern.
Bei der vorhergehenden Ausführungsform wurde als Trennwand 30 einschließlich bewegliches Element 31 eine 5 μm dicke Nickelplatte verwendet, doch dafür kann auch ein Werkstoff gewählt werden, welcher beständig ist gegen die Bläschenerzeugungsflüssigkeit und die Ausstoßflüssigkeit, ausreichende Elastizität hat und das Einbringen des Schlitzes 35 ermöglicht.
Zu den bevorzugten Werkstoffen für das bewegliche Element 31 gehören beständige Metalle wie Silber, Nickel, Gold, Eisen, Titan, Aluminium, Platin, Tantal, nichtrostender Stahl, Phosphorbronze oder Legierungen aus diesen Metallen, Kunstharz mit einem Nitroniumradikal wie Akrylnitril, Butadien und Styrol, Kunstharz mit einem Amidradikal wie Polyamid, Kunstharz mit einem Karboxylradikal wie Polykarbonat, Kunstharz mit einem Aldehydradikal wie Polyazetal, Kunstharz mit einem Sulfonradikal wie Polysulfon, andere Kunstharze wie Flüssigkristallpolymere oder Verbindungen daraus, tintenbeständige Metalle wie Gold, Wolfram, Tantal, Nickel, nichtrostender Stahl, Titan oder Legierungen daraus, mit einem tintenbeständigen Metall oder einer tintenbeständigen Legierung beschichtete Werkstoffe, Kunstharz mit einem Amidradikal wie Polyamis, Kunstharz mit einem Aldehydradikal wie Polyazetal, Kunstharz mit einem Ketonradikal wie Polyätherätherketon, Kunstharz mit einem Imidradikal wie Polyimid, Kunstharz mit einem Hydroxylradikal wie Polyäthylen, Kunstharz mit einem Alkylradikal wie Polypropylen, Kunstharz mit einem Epoxyradikal wie Epoxydharz, Kunstharz mit einem Aminoradikal wie Melaminkunstharz, Kunstharz mit einem Methylolradikal wie Xylolharz und keramische Stoffe wie Siliziumdioxid und Verbindungen daraus.
Weitere für die Trennwand geeignete Werkstoffe sind wärmebeständige Kunstharze, lösungsmittelbeständige und leicht gießbare Konstruktionskunstharze wie Polyäthylen, Polypropylen, Polyamid, Polyäthylenterephthalat, Melaminkunstharz, Phenolharz, Epoxydharz, Polybutadien, Polyuräthan, Polyätherätherketon, Polyäthersulfon, Polyakrylat, Polyamid, Polysulfon, Flüssigkristallpolymere und Verbindungen daraus, Metalle wie Siliziumdioxid, Silizuimnitrid, Nickel, Gold, nichtrostender Stahl sowie Legierungen und Verbindungen daraus und Werkstoffe mit Titan- oder Goldbeschichtung.
Die Dicke der Trennwand kann in Abhängigkeit vom Werkstoff und der Form gewählt werden, um die erforderliche Festigkeit zu erhalten und die Funktion des beweglichen Elements zu gewährleisten, und beträgt vorzugsweise 0,5 bis 10 μm.
Gemäß der vorliegenden Erfindung liegt die Dicke des beweglichen Elements 31 im Mikrometerbereich (t μm). Bei der Erzeugung des beweglichen Elements 31 durch Einbringen eines Schlitzes mit einer Breite von W μm in die Trennwand müssen Fertigungsabweichungen in Betracht gezogen werden.
Wenn die Schlitzbreite und die Dicke des beweglichen Elements der Beziehung W/T ≤ 1 genügen, wird bei Verwendung einer Bläschenerzeugungsflüssigkeit mit einer Viskosität von 3 cP oder weniger und einer Ausstoßflüssigkeit mit einer Viskosität von 5 oder 10 cP ein Vermischen der beiden Flüssigkeiten über einen längeren Zeitraum verhindert.
Gemäß dieser Erfindung gewährleistet ein Schlitz mit einer Breite von einigen Mikrometern das Erreichen eines „im wesentlichen dichten Zustandes".
Wenn die Ausstoßflüssigkeit sich von der Bläschenerzeugungsflüssigkeit unterscheidet, dient das bewegliche Element 31 dazu, beide Flüssigkeiten voneinander zu trennen. Beim Wachsen des Bläschens und dem daraus resultierenden Auslenken des beweglichen Elements kann jedoch ein Überströmen von Bläschenerzeugungsflüssigkeit in die Ausstoßflüssigkeit und dadurch leichtes Vermischen beider beobachtet werden. Da die Ausstoßflüssigkeit, welche beim Tintenstrahldrucken das Bild erzeugt, einen Farbstoff in einer Konzentration von 3-5 enthält, ist bei einem Gehalt von bis zu 20 % an Bläschenerzeugungsflüssigkeit in einem Ausstoßflüssigkeitströpfchen keine Änderung der Farbdichte des Bildes zu verzeichnen, und das ist bei der vorliegenden Erfindung der Fall.
Bei der beschriebenen Konfiguration betrug selbst bei Änderung der Viskosität das Mischungsverhältnis nicht mehr als 25 %, wobei im Falle einer Viskosität der Bläschenerzeugungsflüssigkeit von nicht mehr als 5 cP das Mischungsverhältnis 10 % nicht überschritt, obwohl es in Abhängigkeit von der Steuerfrequenz veränderlich ist.
Wenn die Viskosität der Ausstoßflüssigkeit unter 20 cP abgesenkt wird, kann ein Vermischen der beiden Flüssigkeiten zum Beispiel auf 5 % oder weniger verringert werden.
Nachfolgend wird in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen die positionelle Beziehung zwischen dem Wärme erzeugenden Element 2 und dem beweglichen Element 31 beschrieben. Form, Dimension und Anzahl an beweglichen Elementen 31 und an Wärme erzeugenden Elementen 2 sind jedoch nicht auf die dargelegten beschränkt. Optimale Anordnung des Wärme erzeugenden Elements 2 und des beweglichen Elements 31 gewährleisten die Nutzung des erzeugten Bläschendrucks als Ausstoßdruck.
Beim herkömmlichen Tintenstrahldrucken, bei welchem der Tinte Wärme zugeführt wird und in dieser eine Zustandsänderung (Bläschenbildung) eintritt, ist die dadurch auf ein Druckmedium ausgestoßene Tintenmenge proportional der Fläche des Wärme erzeugenden Elements, wie aus 32 hervor geht, doch es gibt auch eine ineffektive Fläche S, welche nicht zur Bläschenbildung beiträgt. Diese im peripheren Bereich des Wärme erzeugenden Elements 2 vorhandene, zur Wärmeerzeugung nicht beitragende Fläche S hat eine Breite von etwa 4 μm.
Um den Bläschendruck effektiv nutzen zu können, sollte das bewegliche Element 31 unmittelbar über dem Bläschenerzeugungsbereich angeordnet werden, und zwar innerhalb dieser Fläche mit einer Breite von etwa 4 μm. Bei dieser Ausführungsform wird angenommen, daß der effektive Wärmeerzeugungsbereich innerhalb dieser Fläche von etwa 4 μm liegt, obwohl diese Konfiguration keine Beschränkung darstellt, da die genannte Anordnung von der Art des Wärme erzeugenden Elements und von dessen Herstellungsverfahren abhängig ist.
Die 33A und 33B zeigen schematisch die Draufsicht des Wärme erzeugenden Elements 2 mit einer Fläche von x 150 μm, über welchem ein bewegliches Element 301 (33A) bzw. 302 mit einer anderen Abmessung (33B) angeordnet ist.
Das bewegliche Element 301 hat die Abmessungen 53 × 1 μm und ist demzufolge kleiner als das Wärme erzeugende Element 2, jedoch ist diese Größe vergleichbar mit jener der Bläschenerzeugungsfläche des Wärme erzeugenden Elements und überdeckt diese. Das bewegliche Element 302 hat die Abmessungen 53 × 220 μm und überdeckt das Wärme erzeugende Element 2 wie das Wärme erzeugende Element 301, ist aber länger als dieses. Die Lebensdauer und die Ausstoßeffizienz der beiden Wärme erzeugenden Elemente 301, 302 wurden unter folgenden Bedingungen ermittelt:

Bläschenerzeugungsflüssigkeit: 40 prozentige wäßrige Äthanollösung

Ausstoßflüssigkeit: Farbstoffhaltige Tinte

Spannung: 20,2 V

Frequenz: 3 kHz.
Erzielte Ergebnisse:
Das bewegliche Element 301 wies nach 1 × 10⁷ Impulsen Beschädigungen im Auslenkpunktbereich auf, während beim beweglichen Element 302 auch nach 3 × 10⁸ Impulsen noch keine Beschädigungen zu verzeichnen waren. Es wurde auch festgestellt, daß die von der Ausstoßmenge und der Ausstoßgeschwindigkeit bestimmte Bewegungsenergie in bezug auf die aufgebrachte Energie das 1,5- bis 2,5-Fache beträgt.
Auf der Grundlage dieser Ergebnisse sollte zum Erreichen der gewünschten Ausstoßeffizienz und der Haltbarkeit des beweglichen Elements dieses direkt über dem Bläschenerzeugungsbereich angeordnet werden und eine größere Fläche als das Wärme erzeugende Element haben.
34 zeigt die Beziehung zwischen dem Abstand der Kante des Wärme erzeugenden Elements zum Auslenkpunkt des beweglichen Elements und der Auslenkung des letztgenannten. In 35 ist positionelle Beziehung zwischen dem Wärme erzeugenden Element 2 und dem beweglichen Element 31 dargestellt.
Das Wärme erzeugende Element 2 hat die Größe 40 × 105 μm.
Wie aus 34 zu erkennen ist, daß bei Vergrößerung des genannten Abstandes die Auslenkung des beweglichen Elements größer wird. Deshalb sollten die optimale Auslenkung und die Lage des Auslenkpunktes 33 des beweglichen Elements 31 in Abhängigkeit von der gewünschten Tintenausstoßmenge, der Konfiguration des Kanals für die Ausstoßflüssigkeit und der Form des Wärme erzeugenden Elements bestimmt werden.
Wenn der Auslenkpunkt 33 des beweglichen Elements 31 direkt über der Bläschenerzeugungsfläche des Wärme erzeugenden Elements 2 liegt, wirkt der Bläschenerzeugungsdruck direkt auf diesen und das bewegliche Element 31, welches durch das Auslenken bereits belastet ist, so daß dieses nur eine kurze Lebensdauer hat. Die von den Erfindern diesbezüglich durchgeführten Untersuchungen haben ergeben, daß bereits nach etwa 1 × 10⁶ Impulsen Schäden zu verzeichnen waren. Demzufolge sollte der Auslenkpunkt des beweglichen Elements 31 außerhalb effektiven Bläschenerzeugungsfläche des Wärme erzeugenden Elements 2 liegen, es sei denn, Form und der Werkstoff des beweglichen Elements lassen eine Anordnung des Auslenkpunktes direkt über der effektiven Bläschenerzeugungsfläche zu. Mit einem so konfigurierten Flüssigkeitsausstoßkopf kann eine ausgezeichnete Ausstoßeffizienz und eine hohe Lebensdauer erreicht werden.
[Elementsubstrat]
Nachfolgend wird die Konfiguration des Elementsubstrats mit dem darauf angeordneten Wärme erzeugenden Element 2 zum Erwärmen der Flüssigkeit beschrieben.
Die 36A und 36B zeigen die Vertikalschnittansicht des Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung, ohne bzw. mit einem Schutzfilm, auf welchen später näher eingegangen wird.
Auf dem Elementsubstrat 1 ist ein Nutelement 50 angeordnet, welches mit einem zweiten Flüssigkeitskanal 16, einer Trennwand 30 und einer Nut als erster Flüssigkeitskanal 14 versehen ist.
Das Elementsubstrat 1 selbst ist aus einem Siliziumsubstrat 107, einem darauf erzeugten Siliziumoxid- oder Siliziumni tridfilm 106 als Isolier- und Wärmespeicherschicht, einer durch Bemusterung erzeugten elektrischen Widerstandsschicht 105 aus Hafniumborid (HfB₂), Tantalnitrid (TaN) oder Tantalaluminium (TaAl) als Wärme erzeugendes Element mit einer Dicke von 0,01-0,02 μm und Verdrahtungselektroden 104 zum Beispiel aus Aluminium mit einer Dicke von 0,2-1,0 μm zusammengesetzt. Über die beiden Verdrahtungselektroden 104 wird die elektrische Widerstandsschicht 105 mit einer Spannung gespeist, um Wärme in dieser zu erzeugen. Die elektrische Widerstandsschicht 105 zwischen den Verdrahtungselektroden 104 ist mit einer Schutzschicht 103 zum Beispiel aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid mit einer Dicke von 0,1-2,0 μm und einer Antikavitationsschicht 102 zum Beispiel aus Tantal mit einer Dicke von 0,1-0,6 μm als Schutz der Widerstandsschicht 105 gegen Tinte oder andere Flüssigkeiten überzogen.
Da die beim Erzeugen oder Zusammenfallen des Bläschens auftretende Druck- oder Stoßwelle sehr stark ist und den harten und zerbrechlichen Oxidfilm erheblich beschädigen kann, wird für die Antikavitationsschicht ein Metall wie Tantal (Ta) verwendet.
Die Schutzschicht ist nicht unbedingt erforderlich, wenn eine geeignete Flüssigkeit und ein geeignetes Widerstandsmaterial verwendet und die Flüssigkeitskanäle wie in 36B dargestellt konfiguriert werden. Bei den vorhergehenden Ausführungsformen kann das Wärme erzeugende Element nur von der zwischen den Elektroden angeordneten Widerstandsschicht gebildet oder zusätzlich mit der Schutzschicht versehen werden.
Bei dieser Ausführungsform wird das Wärme erzeugende Element von der Widerstandsschicht gebildet und erzeugt auf der Grundlage eines elektrischen Signals Wärme, jedoch stellt diese Konfiguration keine Beschränkung dar, denn es kann auch irgend ein anderes Element verwendet werden, wenn dieses das zum Ausstoßen der Ausstoßflüssigkeit erforderliche Bläschen erzeugt. So kann als Wärme erzeugendes Element ein optisch-thermischer Wandler welcher bei Empfang von Licht zum Beispiel von einem Laser, Wärme erzeugt, oder ein anderes Element, welches bei Empfang eines Hochfrequenzsignals Wärme erzeugt, verwendet werden.
Auf dem Elementsubstrat 1 können außer dem elektrothermischen Wandler in Form der Widerstandsschicht 105 und den diesen mit einer Spannung speisenden Verdrahtungselektroden 104 weitere Funktionalelemente wie Transistoren, Dioden, Sperren und Schieberegister zum selektiven Ansteuern des elektrothermischen Umwandlungselements nach einem Halbleiterherstellungsverfahren erzeugt werden.
Das Flüssigkeitsausstoßen wird durch Senden eines rechteckigen Impulses entsprechend 37 über die Verdrahtungselektroden 104 an die Widerstandsschicht 105 und Erzeugen von Wärme in dieser durch Induktion erreicht. Bei den Köpfen der vorhergehenden Ausführungsformen wurde ein elektrisches Signal in Form einer Spannung von 24 V bei einer Impulsdauer von 7 μs, einer Stromstärke von 150 mA und einer Frequenz von 6 kHz an das Wärme erzeugende Element gesendet und dadurch das Ausstoßen von Flüssigkeit aus der Ausstoßöffnung wie oben beschrieben erreicht. Es kann aber auch ein Signal in anderer Form gesendet werden, wenn dieses die Erzeugung eines Bläschens in der Bläschenerzeugungsflüssigkeit gewährleistet.
[Fertigung des Flüssigkeitsausstoßkopfes]
Nachfolgend wird auf das Verfahren zur Fertigung des beschriebenen Flüssigkeitsausstoßkopfes detailliert eingegangen.
Zur Fertigung des in 20 dargestellten Flüssigkeitsausstoßkopfes wird auf dem Elementsubstrat 1 durch Musterbildung zum Beispiel mittels eines Trockenfilms das Stützelement 34 erzeugt und durch Kleben oder Schmelzschweißen das bewegliche Element 31 auf diesem befestigt, danach das mit zahlreichen Nuten als Flüssigkeitskanäle 10, mit Ausstoßöffnungen und einer Vertiefung als gemeinsame Flüssigkeitskammer 15 versehene Nutelement auf dem Elementsubstrat 1 so angeordnet und an diesem befestigt, daß die Lage der Nuten der Lage der beweglichen Elemente 31 entspricht.
Nachfolgend wird die Fertigung des Flüssigkeitsausstoßkopfes in Zweikanalkonstruktion gemäß den 1 und 41 beschrieben.
Zuerst werden auf dem Elementsubstrat 1 die Wände der zweiten Flüssigkeitskanäle 16 erzeugt und anschließend die Trennwand 30 und das mit Nuten als erste Flüssigkeitskanäle 14 usw. versehene Oberteil 50 aufgesetzt. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Trennwand 30 vorher am Oberteil 50 zu befestigen und dann diese Einheit auf das Elementsubstrat aufzusetzen.
Nachfolgend wird die Erzeugung der zweiten Flüssigkeitskanäle detailliert beschrieben.
Die 38A bis 38E zeigen schematisch ein Beispiel der Fertigung des beschriebenen Flüssigkeitsausstoßkopfes in der Schnittansicht.
Bei diesem Beispiel wurden nach einem in der Halbleitertechnik angewendeten Verfahren auf dem Elementsubstrat (Siliziumwafer) 1 elektrothermische Wandler einschließlich Wärme erzeugende Elemente 2 aus Hafniumborid oder Tantalnitrid erzeugt, wie in 38A dargestellt. Danach wurde zur Verbesserung der Haftfestigkeit des im nächsten Schritt aufzubringenden lichtempfindlichen Kunstharzes die Oberfläche des Elementsubstrats 1 gespült. Zur weiteren Verbesserung der Haftfestigkeit der Kunstharzschicht wurde das Elementsubstrat mit Ultraviolettlicht bestrahlt und mit Ozon behandelt und danach auf diese eine durch Verdünnen eines Silankoppelmittels (A189 von der Nippon Unicar Co.) mit Methylalkohol auf 1 Gew. % erhaltene Flüssigkeit aufgetragen.
Nach erneutem Spülen des so vorbereiteten Elementsubstrats wurde auf dieses ein gegen Ultraviolettlicht empfindlicher Kunstharzfilm DF (Trockenfilm Ordil SY-318 von der Tokyo Oka Co.) aufgetragen, dargestellt in 38B.
Danach wurde auf den Trockenfilm DF eine Photomaske gelegt (38C) und über diese das so vorbereitete Elementsubstrat mit Ultraviolettlicht bestrahlt. Das Bestrahlen erfolgte mit einem Belichtungsgerät MPA-600 von der Canon Co. bei 600 mJ/cm².
Dann wurde der so bestrahlte Trockenfilm DF mit einem von der Tokyo Oka Co. gelieferten Entwickler BMRC-3, einem Gemisch aus Xylol und Butylcellosolveazetat entwickelt, um die nicht belichteten Abschnitte aufzulösen und die belichteten und gehärteten Abschnitte als Wände der zweiten Flüssigkeitskanäle 16 stehen zu lassen. Die auf dem Elementsubstrat 1 verbliebenen Reste wurden durch eine Behandlung in einem Sauerstoffplasma-Veraschungsgerät (MAS-800 von der Alcatec Co.) 90 Sekunden lang entfernt. Danach erfolgte eine Be strahlung mit Ultraviolettlicht bei 150 °C und einer Intensität von 10 mJ/cm² 2 Stunden lang, um die belichteten Abschnitte vollständig auszuhärten.
Dieses Verfahren ermöglichte präzise Erzeugung der zweiten Flüssigkeitskanäle auf den zahlreichen Heizleiterplatten 1 (Elementsubstrate), welche mit einer 0,05 mm dicken Diamantscheibe einer Würfelschneidmaschine aus einem Siliziumwafer geschnitten wurden. Die auf diese Weise erhaltene Heizleiterplatte wurde mit einem Kleber (SE4400 von der Toray Co.) auf der Aluminiumplatte 70 befestigt (siehe 46) und über Aluminiumdrähte (nicht dargestellt) mit einem Durchmesser von 0,05 mm mit der vorher ebenfalls auf der Grundplatte befestigten gedruckten Schaltung 71 verbunden.
Auf dieser Heizleiterplatte 1 wurden dann die Trennwand 30 und das Nutelement 50 entsprechend ausgerichtet zu dieser befestigt. Genauer ausgedrückt, das Nutelement 50 mit der daran angeordneten Trennwand 30 und die Heizleiterplatte 1 wurden aufeinander gelegt und mit einer Feder 78 fest zusammengefügt und diese Einheit wurde zusammen mit dem Flüssigkeitszuführelement 80 zum Zuführen der Tinte/Bläschenerzeugungsflüssigkeit auf die Grundplatte 70 geklebt, wobei zum Abdichten des Spaltes um die Aluminiumdrähte und der Spalte zwischen dem Nutelement 50, der Heizleiterplatte 1 und dem Flüssigkeitszuführelement 80 ein Silikondichtmittel (TSE399 von der Toshiba Silicone Co.) verwendet wurde.
Dieses Verfahren ermöglicht präzise Erzeugung der zweiten Flüssigkeitskanäle ohne positionelle Abweichung von den Heizelementen. Durch vorheriges Befestigen der Trennwand 30 am Nutelement 50 wird auch die gewünschte präzise Positionierung der ersten Flüssigkeitskanälen 14 zu den beweglichen Elementen 31 gewährleistet.
Dieses Verfahren ermöglicht die Fertigung eines präzisen Flüssigkeitsausstoßkopfes, so daß stabiles Flüssigkeitsausstoßen und eine gute Druckqualität gewährleistet werden. Durch die Fertigung der Köpfe auf einem Wafer kann ein großer Durchsatz bei geringen Kosten erreicht werden.
Bei diesem Beispiel wurden die zweiten Flüssigkeitskanäle mit einem durch Ultraviolettlichtbestrahlung aushärtbaren Trockenfilm erzeugt, doch diese können auch durch Laminieren eines Kunstharzes mit einem im Ultraviolettbereich, besonders in der Nähe von 240 nm liegenden Absorptionsband, Aushärten desselben und direktes Entfernen des Materials an den entsprechenden Stellen mit einem Excimerlaser erzeugt werden.
Die 39A bis 39D zeigen schematisch ein zweites Verfahren zur Fertigung des beschriebenen Flüssigkeitsausstoßkopfes.
Wie aus 39A hervor geht, wurde auf ein Substrat 100 aus nichtrostendem Stahl eine 15 μm dicke Schicht 101 aus einem Photoresist aufgetragen.
Das so vorbereitete Substrat 100 wurde durch Elektroplattieren mit einer 15 μm dicken Nickelschicht 102 überzogen. Das Plattierbad enthielt Nickelsulfamat, ein Spannungsreduziermittel (Zero-all von der World Metal Co.), ein Mittel gegen Antipittingbildung (NP-APS von der World Metal Co.) und Nikkelchlorid.
Zum Elektroplattieren wurde eine Seite des bemusterten Substrats 100 an die Kathode und die andere an die Anode des Stromkreises angeschlossen, das Plattierbad auf eine Temperatur von 50 °C gebracht und eine Spannung angelegt, um eine Stromdichte von 5 A/cm² zu erzeugen. Dieser Vorgang ist in 39B dargestellt.
Wie aus 39C hervor geht, wurde das Substrat 100 nach dem Elektroplattieren Ultraschallschwingungen ausgesetzt, um die Nickelschicht 102 an den Stellen, welche die zweiten Flüssigkeitskanäle bilden sollen, abzuschälen.
Andererseits wurden wie beim vorhergehenden Beispiel mit einem in der Halbleitertechnik verwendeten Gerät ein Siliziumwafer erzeugt und dieser mit einer Würfelschneidmaschine in die mit den elektrothermischen Wandlern versehenen Heizleiterplatten getrennt. Die Heizleiterplatte 1 wurde auf der vorher mit einer gedruckten Verdrahtungsleiterplatte versehenen Aluminiumgrundplatte 70 befestigt und mit Aluminiumdrähten (nicht dargestellt) an die Verdrahtungsleiterplatte angeschlossen. In diesem Zustand wurde auf die Heizleiterplatte die mit den zweiten Flüssigkeitskanälen versehene Nickelschicht gelegt, zu dieser ausgerichtet und an dieser befestigt, wie aus 39D hervor geht. Das Fixieren muß nur so fest erfolgen, daß beim nachfolgenden Aufsetzen der Deckplatte mit der daran befestigten Trennwand und Zusammenklemmen mit der Feder wie beim vorhergehenden Beispiel kein Verschieben möglich wird.
Bei diesem Beispiel erfolgte das Ausrichten und Fixieren mit einem Kleber (Amicon UV-300 von der Grade Japan Co.), welcher in einem entsprechenden Gerät 3 Sekunden mit Ultraviolettlicht bei einer Stärke von 100 mJ/cm² ausgehärtet wurde.
Der auf diese Weise gefertigte Kopf ist sehr zuverlässig und gegen alkalische Flüssigkeiten beständig, da die zweiten Flüssigkeitskanäle präzise zu den Wärme erzeugenden Elemen ten 2 ausgerichtet sind und die Kanalwände aus Nickel bestehen.
Die 40A bis 40D zeigen schematisch ein weiteres Verfahren zur Fertigung des beschriebenen Flüssigkeitsausstoßkopfes.
Nach diesem Verfahren wurde auf beide Seiten eines mit Ausrichtbohrungen oder Ausrichtmarkierungen versehenen Substrats 100 aus nichtrostendem Stahl ein Photoresist (PMERP-AR900 von der Tokyo Oka Co.) 1030 in einer Dicke von 15 μm aufgetragen, wie in 40A dargestellt.
Wie aus 40B hervor geht, wurde das mit den Ausrichtbohrungen 110a versehene Substrat 100 in einem Belichtungsgerät (MPA-600 von Canon K.K.) bei 800 mJ/cm² belichtet, um an den Stellen, welche die zweiten Flüssigkeitskanäle bilden sollen, das Resist 1030 zu entfernen.
Im nächsten Schritt, dargestellt in 40C, wurde das auf beiden Seiten mit dem Resist bemusterten Substrat 100 in ein Ätzbad (wäßrige Lösung aus Eisenchlorid oder Kupferchlorid) getaucht, um das Resist an den belichteten Abschnitten abzuätzen.
Wie aus 40D hervor geht, wurde dann das geätzte Substrat 100 auf gleiche Weise wie bei den vorhergehenden Beispielen auf die Heizleiterplatte 1 gelegt und zu dieser ausgerichtet und damit die Fertigung des mit den zweiten Flüssigkeitskanälen 16 versehenen Flüssigkeitsausstoßkopfes beendet.
Dieses Verfahren gewährleistet präzise Erzeugung der zweiten Flüssigkeitskanäle ohne positionelle Verschiebung bezüglich der Wärme erzeugenden Elemente und die Fertigung eines zuverlässigen und gegen saure und alkalische Flüssigkeiten beständigen Flüssigkeitsausstoßkopfes, da die Flüssigkeitskanäle von nichtrostendem Stahl umgeben sind.
Wie bereits erwähnt, können durch die auf dem Elementsubstrat 100 erzeugten Wände die zweiten Flüssigkeitskanäle ganz präzise zu den elektrothermischen Wandlern ausgerichtet werden. Da die zweiten Flüssigkeitskanäle in einer großen Anzahl auf einem Wafer erzeugt werden, bevor dieser in mehrere Elementsubstrate getrennt wird, ist die Fertigung vieler Flüssigkeitsausstoßköpfe bei geringen Kosten möglich.
Ein auf diese Weise gefertigter Flüssigkeitsausstoßkopf kann den Druck des vom elektrothermischen Wandler durch Wärme erzeugten Bläschens effizient aufnehmen und dadurch eine hohe Ausstoßeffizienz erzielen, da das Wärme erzeugende Element und der zweite Flüssigkeitskanal exakt zueinander ausgerichtet sind.
[Aufbau des Kopfes in Zweikanalkonstruktion]
Nachfolgend wird ein Beispiel des Aufbaus eines Flüssigkeitsausstoßkopfes beschrieben, welcher weniger Einzelteile aufweist und bei geringen Kosten gefertigt werden kann und bei welchem die erste und die zweite gemeinsame Flüssigkeitskammer mit unterschiedlichen Flüssigkeiten gefüllt werden.
Ein solcher Kopf ist schematisch in 41 dargestellt, wobei die Komponenten, welche jenen der vorhergehenden Ausführungsformen gleichen, mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet sind und deshalb nicht noch einmal beschrieben werden.
Bei dieser Ausführungsform weist das Nutelement 50 eine mit einer Ausstoßöffnung 18 versehene Platte 51, zahlreiche die ersten Flüssigkeitskanäle 14 bildende Nuten und eine Vertiefung 15 als erste gemeinsame Flüssigkeitskammer 15 zum Versorgen der ersten Flüssigkeitskanäle mit Ausstoßflüssigkeit auf.
Die ersten Flüssigkeitskanäle 14 können durch Befestigen einer Trennwand 30 an der Unterseite des Nutelements 50 erzeugt werden. Das Nutelement 50 weist außerdem eine mit der ersten gemeinsamen Flüssigkeitskammer 15 verbundene ersten Flüssigkeitszuführbohrung 20 und eine durch die Trennwand 30 geführte und mit der zweiten gemeinsamen Flüssigkeitskammer 17 verbundene zweite Flüssigkeitszuführbohrung 21 auf.
Wie aus 41 hervor geht, wird die erste Flüssigkeit (Ausstoßflüssigkeit) in Pfeilrichtung C durch die erste Flüssigkeitszuführbohrung 20 der ersten gemeinsamen Flüssigkeitskammer 15 zum Speisen der ersten Flüssigkeitskanäle 14 und die zweite Flüssigkeit (Bläschenerzeugungsflüssigkeit) in Pfeilrichtung D durch die zweite Flüssigkeitszuführbohrung 21 der zweiten gemeinsamen Flüssigkeitskammer 17 zum Speisen der zweiten Flüssigkeitskanäle 16 zugeführt.
Bei dieser Ausführungsform verläuft die zweite Flüssigkeitszuführbohrung 21 parallel zur ersten Flüssigkeitszuführbohrung 20, kann aber auch anders positioniert werden, sofern diese die Trennwand 30 außerhalb der ersten gemeinsamen Flüssigkeitszuführkanals 20 durchdringt und in die zweite gemeinsame Flüssigkeitskammer 17 mündet.
Der Durchmesser der zweiten Flüssigkeitszuführbohrung 21 wird in Abhängigkeit von der Zuführmenge der zweiten Flüssigkeit festgelegt. Die zweite Flüssigkeitszuführbohrung 21 muß nicht unbedingt einen kreisförmigen Querschnitt, sondern kann auch einen rechteckigen oder einen anders geformten Querschnitt haben.
Die zweite gemeinsame Flüssigkeitskammer 17 kann durch Unterteilung des Nutelements 50 mittels der Trennwand 30 erzeugt werden. Wie aus der Explosivdarstellung in 42 hervor geht, können die zweite gemeinsame Flüssigkeitskammer 17 und die zweiten Flüssigkeitskanäle 16 durch einen auf dem Elementsubstrat befestigten Trockenfilm und durch Befestigen des Nutelements 50 mit der daran befestigten Trennwand 30 auf das Elementsubstrat erzeugt werden.
Bei dieser Ausführungsform ist das Elementsubstrat mit den darauf angeordneten elektrothermischen Wandlern zur Erzeugung von Wärme und somit eines Bläschen durch Filmsieden in der Bläschenerzeugungsflüssigkeit auf einem Stützelement 70 zum Beispiel aus einem Metall wie Aluminium befestigt.
Das Elementsubstrat 1 weist zahlreiche die zweiten Flüssigkeitskanäle 16 definierende Nuten, eine Vertiefung 17 als zweite gemeinsame Flüssigkeitskammer zum Versorgen der zweiten Flüssigkeitskanäle 16 mit Bläschenerzeugungsflüssigkeit und eine mit den erwähnten beweglichen Elementen 31 versehene Trennwand 30 auf.
Das Nutelement 50 ist mit mehreren Nuten versehen, welche nach dem Befestigen der Trennwand an diesem die ersten Flüssigkeitskanäle 14 für die Ausstoßflüssigkeit bilden, und weist außerdem eine Vertiefung 15 als erste gemeinsame Flüssigkeitskammer zum Versorgen der ersten Flüssigkeitskanäle mit Ausstoßflüssigkeit, eine erste Flüssigkeitszuführbohrung 20 zum Auffüllen der ersten gemeinsamen Flüssigkeitskammer 15 mit Ausstoßflüssigkeit und eine zweite Flüssigkeitszu führbohrung 21 zum Auffüllen der zweiten gemeinsamen Flüssigkeitskammer mit Bläschenerzeugungsflüssigkeit auf. Die zweite Flüssigkeitszuführbohrung 21 durchdringt die Trennwand 30 außerhalb der ersten gemeinsamen Flüssigkeitskammer 15 und mündet in die zweite gemeinsame Flüssigkeitskammer 17, so daß die Bläschenerzeugungsflüssigkeit ohne Vermischen mit der Ausstoßflüssigkeit in die zweite gemeinsame Flüssigkeitsklammer nachströmt.
Das Elementsubstrat 1, die Trennwand 30 und das Nutelement 50 werden so zueinander positioniert, daß die beweglichen Elemente 31 exakt zu den auf dem Elementsubstrat 1 angeordneten Wärme erzeugenden Elementen und die Flüssigkeitskanäle 14 exakt zu den beweglichen Elementen 31 ausgerichtet sind. Bei dieser Ausführungsform ist das Nutelement mit einer zweiten Flüssigkeitszuführbohrung versehen, obwohl in Abhängigkeit von der Zuführmenge dieses auch mit mehreren zweiten Flüssigkeitszuführbohrungen versehen werden kann.
Durch Auswahl eines optimalen Querschnitts der Flüssigkeitszuführbohrungen können die das Nutelement 50 bildenden Komponenten kompakter ausgeführt werden.
Bei diese Ausführungsform kann die Anzahl der Komponenten verkleinert, die Fertigung vereinfacht und eine Kostenverringerung dadurch erreicht werden, daß die zweite Flüssigkeitszuführbohrung zum Speisen der zweiten Flüssigkeitskanäle mit der zweiten Flüssigkeit und die erste Flüssigkeitszuführbohrung zum Speisen der ersten Flüssigkeitskanäle mit der ersten Flüssigkeit in einem einzigen Nutelement vorhanden sind.
Da die zweite Flüssigkeit über die durch die Trennwand zum Trennen der ersten und der zweiten Flüssigkeit voneinander geführte zweite Flüssigkeitsbohrung der mit den zweiten Flüssigkeitskanälen verbundenen zweiten gemeinsamen Flüssigkeitskammer zugeführt wird, kann das Zusammenfügen der Trennwand, des Nutelements und des Elementsubstrats in einem einzigen Schritt erfolgen, wodurch die Fertigung vereinfacht, das Zusammenfügen mit großer Präzision durchgeführt und das Flüssigkeitsausstoßen in der gewünschten Qualität erfolgen kann.
Da die zweite Flüssigkeit über die durch die Trennwand geführte zweite Flüssigkeitszuführbohrung in ausreichender Menge der zweiten gemeinsamen Flüssigkeitskammer zugeführt werden kann, ist stabiles Flüssigkeitsausstoßen gewährleistet.
Nachfolgend wird anhand der beiliegenden Zeichnungen die positionelle Beziehung zwischen dem Wärme erzeugenden Element und dem beweglichen Element im Kopf erläutert. Form, Abmessungen und Anzahl an beweglichen Elementen und Wärme erzeugenden Elementen sind aber nicht auf die aufgeführten beschränkt. Eine optimale Anordnung des Wärme erzeugenden Elements und des beweglichen Elements ermöglicht jedoch ein effektives Nutzen des aus der Bläschenerzeugung resultierenden Drucks als Ausstoßdruck.
Bei der nachfolgend beschriebenen Ausführungsform ist am beweglichen Element ein Wärme erzeugendes Element angeordnet.
Das bewegliche Element hat Wärmeisoliereigenschaft in Richtung Auslenkung.
43A zeigt als Schnittansicht einen Abschnitt des mit dem Wärme erzeugenden Element bestückten beweglichen Elements 31, 831. Auf einem Substrat 1201 sind eine Wärmeiso lierschicht 1202 und eine elektrische Widerstandsschicht 1203 angeordnet. Das Wärme erzeugenden Element 1203 ist an Elektroden 1204, 1205 angeschlossen und mit einer Schutzschicht 1206 und einer Antikavitationsschicht 1207 überzogen. 43B zeigt die Draufsicht der Elektroden 1204, 1205. Nachfolgend wird auf die für diese Schichten verwendeten Werkstoffe näher eingegangen.
Ein Substrat 1201 zum Beispiel aus Silizium ist mit einem Film aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid als Isolier- und Wärmespeicherschicht und auch mit einer Wärmeisolierschicht 1202 aus dem gleichen Material wie das bewegliche Element oder die Trennwand überzogen. Die Wärmeisolierschicht 1202 verhindert das Ableiten von Wärme vom beweglichen Element und verbessert die Wärmeübertragung auf das Wärme erzeugende Element, wenn diese entsprechend dick ausgeführt ist. Besonders wenn das bewegliche Element aus einem stark wärmeleitenden Material wie Metall oder einem schwach wärmeleitenden Material wie Kunstharz und extrem dünn ausgeführt ist, verhindert die Wärmeisolierschicht 1202 eine Wärmeableitung in die entgegengesetzte Richtung. Wenn die Wärmeisolierschicht 1202 und die Schutzschicht 1207 aus dem gleichen Material oder aus Materialien mit ähnliche Wärmeleitfähigkeit erzeugt werden, sollte die Wärmeisolierschicht 1202 dicker sein als die Schutzschicht 1207. Wenn diese Schichten die gleiche Dicke haben, sollte für die Wärmeisolierschicht ein Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit verwendet werden, um die Wärmeleitung von dieser Schicht aus zu unterbinden.
Auf der Wärmeisolierschicht 1202 sind die Widerstandsschicht 1203 (0,01-0,02 μm dick) aus Hafniumborid (HfB₂), Tantalnitrid (TaN) oder Titan-Aluminium (TaAl) als Wärme erzeugendes Element und die Verdrahtungselektroden 1204, 1205 (0,2-1,0 μm) zum Beispiel aus Aluminium vorhanden, wie aus 43B hervor geht. Über die Verdrahtungselektroden 1204, 1205 wird die Widerstandsschicht 1203 mit einer Spannung gespeist, um in dieser einen Strom zu induzieren und dadurch Wärme zu erzeugen. Auf der Widerstandsschicht 1203 zwischen den Elektroden 1204, 1205 sind eine 0,1-2,0 μm dicke Schutzschicht 1206 aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid und eine 0,1-0,6 μm dicke Antikavitationsschicht 1207 zum Beispiel aus Tantal zum Schutz der Widerstandsschicht 1203 gegen verschiedene Flüssigkeiten wie Tinte vorhanden.
Da der Unterdruck und die Stoßwelle, welche aus dem Zusammenfallen des Bläschens resultieren, sehr stark sind und die Haltbarkeit des harten und zerbrechlichen Oxidfilms herabsetzen, wird zur Erzeugung der Antikavitationsschicht ein Metall wie Tantal verwendet. Für die als Wärme erzeugendes Element dienende Widerstandsschicht 1203 und das auf dem Elementsubstrat vorhandene zweite Wärme erzeugende Element kann auch nur ein Widerstandsmaterial verwendet werden.
[Aufbau eines Kopfes in Zweikanalkonstruktion]
Nachfolgend wird der Aufbau eines Flüssigkeitsausstoßkopfes beschrieben, bei welchem in der ersten gemeinsamen Flüssigkeitskammer eine andere Flüssigkeit als in der zweiten gemeinsamen Flüssigkeitskammer verwendet wird und beide gut voneinander getrennt sind und welcher durch die verringerte Anzahl an Komponenten kostengünstig gefertigt werden kann.
44 zeigt schematisch den Aufbau eines solchen Flüssigkeitsausstoßkopfes, welcher den in den 19A bis 19D und 20 bis 23 dargestellten Ausstoßköpfen vom Kantenschuß-Typ der zweiten bzw. dritten Ausführungsform entspricht, wobei gleiche Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind und deshalb nicht noch einmal beschrieben werden.
Bei dieser Ausführungsform ist das Nutelement 50 prinzipiell als Platte 51 ausgeführt und mit mehreren die ersten Flüssigkeitskanäle 14 definierenden Nuten, mit einer Ausstoßöffnung 18 und einer Vertiefung 15 als erste gemeinsame Flüssigkeitskammer zum Speisen der ersten Flüssigkeitskanäle 14 mit Ausstoßflüssigkeit versehen. Die zahlreichen ersten Flüssigkeitskanäle 14 können durch Befestigen einer Trennwand 30 an der Unterseite des Nutelements 50 erzeugt werden. Das Nutelement 50 ist auch mit einer von oben in die erste gemeinsame Flüssigkeitskammer 15 mündenden Flüssigkeitszuführbohrung 20 und einer die Trennwand 30 durchdringenden und in die zweite gemeinsame Flüssigkeitskammer 17 mündenden zweiten Flüssigkeitszuführbohrung 21 versehen.
Wie aus 41 hervor geht, wird die erste Flüssigkeit (Ausstoßflüssigkeit) in Pfeilrichtung C über die erste Flüssigkeitszuführbohrung 20 der die ersten Flüssigkeitskanäle speisenden ersten gemeinsamen Flüssigkeitskammer 15 und die zweite Flüssigkeit (Bläschenerzeugungsflüssigkeit) in Pfeilrichtung D über die zweite Flüssigkeitszuführbohrung 21 der die zweiten Flüssigkeitskanäle 16 speisenden zweiten gemeinsamen Flüssigkeitskammer 17 zugeführt.
Bei dieser Ausführungsform verläuft die zweite Flüssigkeitszuführbohrung 21 parallel zur ersten Flüssigkeitszuführbohrung 20, jedoch stellt diese Anordnung keine Beschränkung dar, denn es kann auch eine andere Anordnung gewählt werden, wenn gewährleistet wird, daß die zweite Flüssigkeitszuführbohrung 21 die Trennwand 30 außerhalb der ersten gemeinsamen Flüssigkeitskammer 15 durchdringt und in die zweite gemeinsame Flüssigkeitskammer 17 mündet.
Der Durchmesser der zweiten Flüssigkeitszuführbohrung 21 wird in Abhängigkeit von der Zuführmenge der zweiten Flüs sigkeit gewählt. Der Querschnitt der zweiten Flüssigkeitszuführbohrung 21 muß nicht unbedingt kreisförmig, sondern kann auch rechteckig sein oder eine andere Form haben.
Die zweite gemeinsame Flüssigkeitskammer 17 kann durch Unterteilung des Nutelements 50 mittels der Trennwand 30 erzeugt werden. Wie aus der Explosivdarstellung in 45 hervor geht, können die zweite gemeinsame Flüssigkeitskammer 17 und die zweiten Flüssigkeitskanäle 16 durch einen auf das Elementsubstrat aufgetragenen Trockenfilm und Befestigen der Einheit aus dem Nutelement 50 und der Trennwand 30 auf dem Elementsubstrat erzeugt werden.
Bei dieser Ausführungsform ist das Elementsubstrat 1 auf einem Stützelement aus Metall wie zum Beispiel Aluminium angeordnet. Auf dem Elementsubstrat 1 sind zahlreiche die zweiten Flüssigkeitskanäle 16 definierende Nuten, eine die zweite gemeinsame Flüssigkeitskammer 17 definierende Vertiefung zum Speisen der zweiten Flüssigkeitskanäle mit Bläschenerzeugungsflüssigkeit und eine mit den beweglichen Elementen 31 und daran angeordneten Wärme erzeugenden Elementen 2 vorhanden.
Das Nutelement 50 weist zahlreiche Nuten auf, welche nach dem Befestigen der Trennwand 30 an diesem die ersten Flüssigkeitskanäle 14 definieren, und ist mit einer Vertiefung 15 als erste gemeinsame Flüssigkeitskammer zum Speisen der ersten Flüssigkeitskanäle mit Ausstoßflüssigkeit, einer in die erste gemeinsame Flüssigkeitskammer 15 mündenden ersten Flüssigkeitszuführbohrung 20 und einer in die zweite gemeinsame Flüssigkeitskammer mündenden und diese mit Bläschenerzeugungsflüssigkeit versorgenden zweiten Flüssigkeitszuführbohrung 21 versehen. Die zweite Flüssigkeitszuführbohrung 21 durchdringt die Trennwand 30 außerhalb der ersten gemeinsa men Flüssigkeitskammer 15 und mündet in die zweite gemeinsame Flüssigkeitskammer 17, wodurch ein vermischen der Bläschenerzeugungsflüssigkeit mit der Ausstoßflüssigkeit verhindert wird.
Das Elementsubstrat 1, die Trennwand 30 und das Nutelement 50 werden so zueinander positioniert, daß die beweglichen Elemente exakt zu den Wärme erzeugenden Elementen auf dem Elementsubstrat und die ersten Flüssigkeitskanäle 14 exakt zu den beweglichen Elementen ausgerichtet sind. Bei dieser Ausführungsform ist das Nutelement 50 mit nur einer zweiten Flüssigkeitszuführbohrung versehen, doch in Abhängig von der Flüssigkeitszuführmenge kann dieses auch mit mehreren zweiten Flüssigkeitszuführbohrungen versehen werden. Der Querschnitt der ersten Flüssigkeitszuführbohrung 20 für die Ausstoßflüssigkeit und jener der zweiten Flüssigkeitszuführbohrung für die Bläschenerzeugungsflüssigkeit 21 sollten proportional der jeweiligen Zuführmenge ausgelegt werden.
Durch Auswählen optimaler Querschnitte können die das Nutelement 50 bildenden Komponenten kompakter ausgeführt werden.
Da bei dieser Ausführungsform die zweite Flüssigkeitszuführbohrung zum Speisen der zweiten Flüssigkeitskanäle mit der zweiten Flüssigkeit und die erste Flüssigkeitszuführbohrung zum Speisen der ersten Flüssigkeitskanäle mit Ausstoßflüssigkeit in einem einzigen Nutelement vorhanden sind, ist eine geringere Anzahl an Komponenten zu verzeichnen, so daß die Fertigung einfacher und kostengünstiger wird.
Da die zweite Flüssigkeitszuführbohrung sich durch die Trennwand zum Trennen der ersten Flüssigkeit von der zweiten Flüssigkeit erstreckt und in die zweite gemeinsame Flüssig keitskammer zum Speisen der zweiten Flüssigkeitskanäle mit Bläschenerzeugungsflüssigkeit mündet, kann das Zusammenfügen der Trennwand, des Nutelements und des Elementsubstrats in einem einzigen Schritt mit großer Präzision durchgeführt und dadurch ein effektives Flüssigkeitsausstoßen gewährleistet werden.
Da die zweite Flüssigkeitskammer zuverlässig mit der zweiten Flüssigkeit gespeist wird, können von dieser die zweiten Flüssigkeitskanäle mit der gewünschten Flüssigkeitsmenge gespeist werden, so daß stabiles Flüssigkeitsausstoßen gewährleistet wird.
[Ausstoßflüssigkeit und Bläschenerzeugungsflüssigkeit]
Mit den beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, bei welchen zur Steuerung des Drucks in den Flüssigkeitskanälen bewegliche Element verwendet werden, besteht im Vergleich zu einem herkömmlichen Flüssigkeitsausstoßkopf die Möglichkeit der Erhöhung der Ausstoßkraft, der Ausstoßeffizienz und der Ausstoßgeschwindigkeit. Wenn bei diesen Ausführungsformen als Ausstoßflüssigkeit und als Bläschenerzeugungsflüssigkeit die gleiche Flüssigkeit verwendet wird, können verschiedene Arten zum Einsatz kommen, sofern diese durch die vom Wärme erzeugenden Element erzeugte Wärme nicht beeinträchtigt wird, sich durch das Erwärmen nicht auf dem Wärme erzeugenden ablagert, wiederholtes Entgasen und Kondensieren verkraftet und den Flüssigkeitskanal, das bewegliche Element sowie die Trennwand nicht beschädigt.
Als Flüssigkeit zum Drucken kann die in einer herkömmlichen Bläschenstrahldruckvorrichtung verwendete zum Einsatz kommen.
Wen beim Kopf in Zweikanalkonstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung die Ausstoßflüssigkeit und die Bläschenerzeugungsflüssigkeit sich voneinander unterscheiden, kann als Bläschenerzeugungsflüssigkeit eine der genannten Flüssigkeiten, d.h. Methanol, Äthanol, n-Propanol, Isopropanol, n-Hexan, n-Heptan, n-Oktan, Toluol, Xylol, Methylendichlorid, Trichlen, Fleon-TF, Fleon BF, Äthylätherdioxan, Zyklohexan, Methylazetat, Äthylazetat, Azeton, Methyläthylketon, Wasser oder ein Gemisch daraus verwendet werden.
Als Ausstoßflüssigkeit können verschiedene Flüssigkeiten verwendet werden, d.h. eine Flüssigkeit mit geringem Bläschenerzeugungsvermögen, eine durch Wärme sich verändernde Flüssigkeit oder eine auf herkömmliche Weise nicht leicht auszustoßende stark viskose Flüssigkeit.
Bevorzugt wird jedoch eine Flüssigkeit, welche selbst oder in Verbindung mit der Bläschenerzeugungsflüssigkeit das Ausstoßen, die Bläschenerzeugung oder die Funktion des beweglichen Elements 31 nicht beeinträchtigt.
So kann als Ausstoßflüssigkeit zum Drucken eine stark viskose Tinte, eine pharmazeutische Flüssigkeit oder ein gegen Wärme empfindliches Parfüm verwendet werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wurden zum Drucken verschiedene Tinten als Ausstoßflüssigkeit und als Bläschenerzeugungsflüssigkeit verwendet. Durch die höhere Ausstoßkraft und die höhere Ausstoßgeschwindigkeit treffen die Tintentröpfchen präziser auf das Druckmedium, so daß qualitativ hochwertige Bilder erzeugt werden können.
Zusammensetzung der Farbstofftinte (Viskosität 2 cP)

Farbstoff (Nahrungsmittelfarbe Schwarz) 3 Gew. %

Diäthylenglykol 10 Gew. %

Thiodiglykol 5 Gew. %

Äthanol 5 Gew. %

Wasser 77 Gew. %
Gedruckt wurde auch mit den unten aufgelisteten Tintengemischen. So wurde sowohl eine Flüssigkeit mit einer Viskosität von mehr als 10 cP als auch eine stark viskose Flüssigkeit mit 150 cP, welche aus einem herkömmlichen Kopf nicht ausgestoßen werden können, problemlos ausgestoßen und mit diesen eine hohe Druckqualität erreicht.
Zusammensetzung der Bläschenerzeugungsflüssigkeit 1

Äthanol 40 Gew. %

Wasser 60 Gew. %.
Zusammensetzung der Bläschenerzeugungsflüssigkeit 2

Wasser 100 Gew. %
Zusammensetzung der Bläschenerzeugungsflüssigkeit 3

Isopropylalkohol 10 Gew. %

Wasser 90 Gew. %.

Zusammensetzung der Ausstoßflüssigkeit 1 (Pigmenttinte mit einer Viskosität von ca. 15 cP)

Ruß	5 Gew. %
Styrol-Akrylsäure-Äthylakrylat-Kopolymer (Säurewert 40, durchschnittliches Molekulargewicht 8000)	1 Gew. %
Monoäthanolamin	0,25 Gew. %
Glyzerin	69 Gew. %
Thiodiglykol	5 Gew. %

Äthanol	3 Gew. %
Wasser	16,75 Gew. %

Zusammensetzung der Ausstoßflüssigkeit 2 (55 cP)

Polyäthylenglykol 200 100 Gew. %
Zusammensetzung der Ausstoßflüssigkeit 3 (150 cP)

Polyäthylenglykol 600 100 Gew. %.
Die letztgenannte Flüssigkeit läßt sich nur unter Schwierigkeiten aus einem herkömmlichen Kopf ausstoßen, wobei durch die niedrige Ausstoßgeschwindigkeit Schwankungen in der Ausstoßrichtung sich ergeben und dadurch die Auftreffgenauigkeit der ausgestoßenen Tröpfchen beeinträchtigt wird. Wegen des instabilen Ausstoßens schwankt auch die Ausstoßmenge, so daß mit dieser Flüssigkeit keine qualitativ hochwertigen Bilder erzeugt werden können. Wenn aber bei den Köpfen der beschriebenen Ausführungsformen die oben genannte Bläschenerzeugungsflüssigkeit verwendet wird, ist ausreichende und stabile Bläschenerzeugung gewährleistet. Daraus resultieren eine höhere Auftreffgenauigkeit der ausgestoßenen Flüssigkeitströpfchen und eine stabile Tintenausstoßmenge, welche die Erzeugung qualitativ hochwertiger Bilder gewährleiste.
[Ausstoßkopfkartusche]
Nachfolgend wird eine mit dem genannten Flüssigkeitsausstoßkopf bestückte Kopfkartusche beschrieben.
46 zeigt perspektivisch in Explosivdarstellung eine solche Kopfkartusche, welche prinzipiell aus einer Kopfeinheit 200 und einem Flüssigkeitsbehälter 80 zusammengesetzt ist.
Die Kopfeinheit 200 ist aus einem Elementsubstrat 1, einer Trennwand 30, einem Nutelement 50, einer Klemmfeder 78, einem Flüssigkeitszuführelement 90, einem Stützelement und weiteren Bauteilen zusammengesetzt. Auf dem Elementsubstrat 1 sind zahlreiche Wärme erzeugende Widerstandelemente zur Erzeugung der für die Bläschenbildung erforderlichen Wärme in einer Reihe und zahlreiche Funktionalelemente zum selektiven Ansteuern der Wärme erzeugenden Widerstandselemente angeordnet. Die Kanäle für die Bläschenerzeugungsflüssigkeit werden zwischen dem Elementsubstrat 1 und der mit den beweglichen Elementen versehenen Trennwand 30, die nicht dargestellten Kanäle für die Ausstoßflüssigkeit durch Kleben der Trennwand 30 an das Nutelement 50 erzeugt.
Die Klemmfeder 78 preßt das Elementsubstrat 1, die Trennwand 30, das Nutelement 50 und das Stützelement 70 zusammen, worauf später näher eingegangen wird.
Auf dem Stützelement 70 sind eine an das Elementsubstrat 1 angeschlossene Leiterplatte 71 und ein an die Hauptbaugruppe anzuschließendes Kontaktfeld 72 zum Austauschen von Signalen mit diesem angeordnet.
Der Flüssigkeitsbehälter 90 ist in eine Kammer für die Ausstoßflüssigkeit in Form von Tinte und eine Kammer für die Bläschenerzeugungsflüssigkeit unterteilt. An der Außenseite des Flüssigkeitsbehälters 90 sind Positionierzapfen 94 und Verbindungszapfen 95 für ein Verbindungselement zum Flüssigkeitsausstoßkopf angeordnet. Die Ausstoßflüssigkeit wird durch einen Zuführkanal 92 im Behälter 90, einen Kanal 84 im Verbindungselement und einen im Zuführelement 80 vorhandenen Kanal 81 und die Kanäle 83, 71, 21 verschiedener anderer Elemente dem ersten gemeinsamen Flüssigkeitskammer und die Bläschenerzeugungsflüssigkeit durch einen Zuführkanal 93 im Behälter 90, einen Kanal im Verbindungselement, einen im Zuführelement 80 vorhandenen Kanal 82 und durch die Kanäle 84, 71, 22 in den genannten anderen Elementen der zweiten gemeinsamen Flüssigkeitskammer zugeführt.
Die erwähnte Kopfkartusche ist mit einem in zwei Kammern für die Ausstoßflüssigkeit und die Bläschenerzeugungsflüssigkeit unterteilten Behälter bestückt, jedoch ist im Falle der Verwendung von nur einer Flüssigkeit diese Unterteilung des Behälters nicht erforderlich.
Der Flüssigkeitsbehälter kann mit Öffnungen zum Auffüllen mit der ausgegangenen Flüssigkeit versehen werden. Der Flüssigkeitsausstoßkopf kann als separates Teil austauschbar ausgeführt werden oder integraler Bestandteil des Behälters 90 sein.
[Flüssigkeitsausstoßvorrichtung]
47 zeigt schematisch eine mit dem beschriebenen Flüssigkeitsausstoßkopf bestückte Flüssigkeitsausstoßvorrichtung. Bei dieser Ausführungsform der Flüssigkeitsausstoßvorrichtung wird Tinte als Ausstoßflüssigkeit verwendet. Auf einem von einer Spindel 85 über das Druckmedium hin und her bewegten Schlitten HC sind ein Flüssigkeitsausstoßkopf 513 der beschriebenen Art und eine Steuereinheit 500 befestigt. Das Druckmedium wird von einer Transporteinheit transportiert.
Wenn eine nicht dargestellte Signalgabeeinheit Signale an den auf dem Schlitten befestigten Flüssigkeitsausstoßkopf sendet, wird von diesem Druckflüssigkeit auf das Druckmedium ausgestoßen. Wie aus 47 ebenfalls hervor geht, ist die Flüssigkeitsausstoßvorrichtung außerdem mit einer Kappe 86 zum Abdecken der Ausstoßfläche des Kopfes und einer Saugein heit 87 zum Absaugen der in die Kappe ausgestoßenen Flüssigkeit ausgerüstet, um ein Verstopfen der Düsen des Kopfes zu verhindern.
Die Flüssigkeitsausstoßvorrichtung dieser Ausführungsform ist außerdem mit einem Motor 111 zum Antreiben der Transporteinheit für das Druckmedium und des Schlittens, mit Zahnrädern 112, 113 und einem Führungsholm 115 für den Schlitten ausgerüstet. Mit dieser Druckvorrichtung kann nach dem Flüssigkeitsausstoßprinzip Ausstoßflüssigkeit auf unterschiedliche Druckmedien ausgestoßen werden.
48 zeigt im Blockschaltbild den Aufbau der mit dem beschriebenen Kopf bestückten Tintenausstoßdruckvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die Druckvorrichtung empfängt von einem Hauptcomputer 300 ein Steuersignal in Form von Druckinformationen. Diese Druckinformationen werden vorübergehend in einer Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle 301 gespeichert, in entsprechende von der Druckvorrichtung verarbeitbare Daten umgewandelt und an eine CPU 302 als Kopfsteuersignal-Sendeeinheit gesendet. Die CPU 302 verarbeitet auf der Grundlage des in einem ROM 303 gespeicherten Programms die eingegebenen Daten mit Hilfe einer peripheren Einheit wie einem RAM 304, um die zu drukkenden Bilddaten zu erhalten.
Die CPU 302 erzeugt synchron zu den Bilddaten auch die Antriebsdaten für den Druckpapiervorschubmotor und den Druckkopf, um das Drucken der Bilddaten an der gewünschten Stelle auf dem Druckpapier durchzuführen. Die Bilddaten und die Antriebsdaten werden über einen Kopftreiber 307 und einem Motortreiber 305 dem Kopf 308 bzw. dem Motor 306 übermittelt, um diese zur Erzeugung eines Bildes in einem entsprechenden Steuertakt anzutreiben.
Von einem Temperatursensor 309 wird die Temperatur in den ersten und den zweiten Flüssigkeitskanälen 14 bzw. 16 gemessen und der Austausch von Signalen mit der CPU 302 entsprechend der in 15 dargestellten Folge vorgenommen, um die Temperatur der Ausstoßflüssigkeit und jene der Bläschenerzeugungsflüssigkeit entsprechend einzustellen und die gewünschte Ausstoßcharakteristik zu erhalten.
Als Druckmedium können verschiedene Papiersorten, ein OHP-Blatt, Kunstharze für CDs oder Dekorplatten, Textilien, Metalle wie Aluminium und Kupfer, verschiedene Lederarten wie Rindleder, Schweinsleder und Kunstleder, verschiedene Holzarten wie Nutzholz, Sperrholz und Bambus, Keramik in Form von Fliesen und dreidimensionale Materialien wie Schwämme verwendet werden.
Zu den Druckvorrichtungen der beschriebenen Art zählen Drukker zum Drucken auf verschiedenen Papiersorten, Drucker zum Drucken auf einem OHP-Blatt, Drucker zum Drucken auf Kunstharzen wie CDs, Drucker zum Drucken auf Metallplatten, Drukker zum Drucken auf Leder, Drucker zum Drucken auf Holz, Drucker zum Drucken auf Keramik, Drucker zum Drucken auf Textilien und Drucker zum Drucken auf dreidimensionalen Materialien in Form von Schwämmen.
Die Art des in solchen Druckvorrichtungen zu verwendenden Flüssigkeitsausstoßkopfes sollte in Abhängigkeit vom jeweiligen Druckmedium und von den Druckbedingungen ausgewählt werden.
[Drucksystem]
Nachfolgend wird ein Beispiel eines Tintenstrahldrucksystems beschrieben, bei welchem zum Drucken ein Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommt.
49 zeigt schematisch den Aufbau eines solchen Tintenstrahldrucksystems, welches mit Ausstoßköpfen 201 gemäß der vorliegenden Erfindung bestückt ist. Diese in X-Richtung auf dem Schlitten in einem bestimmten Abstand zueinander montierten Köpfe für die Farbtinten Gelb (Y), Magenta (M), Zyan (C) und Schwarz (Bk) sind als Ganzzeilenköpfe ausgeführt, deren zahlreiche Ausstoßöffnungen mit einer Teilung von 14/mm (360 dpi) über die druckbare Breite des Druckmediums 150 (in Y-Richtung) angeordnet sind.
Die Köpfe 201a bis 201d werden durch die vom Kopftreiber 307 gesendeten Signale gesteuert. Die Farbtinten Y, M, C und Bk und die Bläschenerzeugungsflüssigkeit sind in den Behältern 204a bis 204e gespeichert.
Unterhalb der Köpfe sind mit einem Absorptionsmaterial wie einem Schwamm bestückte Kappen 203a bis 203d angeordnet, welche in Druckpausen die Ausstoßöffnungen der Köpfe abdekken und für Wartungszwecke dienen.
Ein Transportband 206, welches über mehrere Walzen gespannt ist und von einem Motor in eine Umlaufbewegung gebracht wird, dient als Transportvorrichtung für das Druckmedium.
Das Tintenstrahldrucksystem dieser Ausführungsform ist mit einer vor der Druckvorrichtung angeordneten Vorbehandlungseinheit 251 und einer hinter der Druckvorrichtung angeordneten Nachbehandlungseinheit 252 zum Vor- bzw. Nachbehandeln des Druckmediums ausgerüstet.
Diese Einheiten variieren entsprechend der Art des verwendeten Druckmediums und der Tintenarten. So kann zum Beispiel durch Aktivieren der Oberfläche von Metallen, Kunstharzen und Keramik durch Bestrahlen mit Ultraviolett und Ozon die Haftfestigkeit erhöht werden. Bei einem Druckmedium aus Kunstharz, welches zur Erzeugung von statischer Elektrizität neigt, setzt Staub sich auf diesem ab und kann den Druckvorgang beeinträchtigen. In diesem Fall sollte eine Vorbehandlungseinheit in Form eines Ionisiergerätes verwendet werden, um die statische Aufladung zu beseitigen und Ablagern von Staub zu verhindern. Wenn auf Textilien gedruckt werden soll, ist eine Vorbehandlung mit einer alkalischen Substanz, einer wasserlöslichen Substanz, einem synthetischen Polymer, einem wasserlöslichen Metallsalz, Harnstoff und Thioharnstoff zu empfehlen, um Farbenverlaufen zu verhindern und die Haftfestigkeit der zu verwendenden Farben zu verbessern. Das Vorbehandeln ist aber nicht auf die genannten Arten beschränkt, sondern kann auch die Temperaturregelung des zu bedruckenden Druckmediums einschließen.
Zur Nachbehandlung zählen zum Beispiel eine Wärmebehandlung und eine Bestrahlung mit Ultraviolettlicht zwecks Beschleunigung des Fixierens der Tinte auf dem Druckmedium und ein Waschvorgang zum Entfernen von Vorbehandlungssubstanzen, welche keine Reaktion eingegangen sind.
Bei dieser Ausführungsform werden Ganzzeilenköpfe verwendet, doch es besteht auch die Möglichkeit der Verwendung kleiner Köpfe, welche quer über das Druckmedium bewegt werden.
[Ersatzteilkästchen]
Nachfolgend wird anhand von 50 ein Ersatzeilpaket gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Zum Ersatzteilpaket 500 gehören ein mit einer Tintenausstoßeinheit 511 be stückter Ausstoßkopf 510 gemäß der vorliegenden Erfindung, ein Tinten- oder Flüssigkeitsbehälter 520 als separates Bauteil oder integralen Bestandteil des Kopfes 510 und eine Füllvorrichtung für den Tintenbehälter 520 gehören, welche in einem Kästchen 501 untergebracht sind.
Wenn die Tinte in einem Tintenbehälter verbraucht ist, wird die Injektionsnadel der Füllvorrichtung in die am Behälter vorhandene Öffnung 521, in ein Verbindungsstück zwischen diesem und dem Kopf 510 oder in eine in der Behälterwand vorhandene Bohrung eingeführt und der Behälter mit Tinte aus der Füllvorrichtung nachgefüllt.
Dieses Ersatzteilpaket ermöglicht schnelles Auffüllen eines vollständig entleerten Tintenbehälters 520 und somit schnelle Wiederaufnahme des Druckens.
Zum Ersatzteilpaket 500 gehört normalerweise die Tintenfüllvorrichtung, doch es kann auch ein Ersatzteilpaket ohne diese Füllvorrichtung geliefert werden und es enthält in diesem Fall nur einen mit Tinte gefüllten Behälter 520 als separates Teil und einen Kopf 510.
Zu dem in 50 dargestellten Ersatzteilpaket kann auch eine Füllvorrichtung für die Bläschenerzeugungsflüssigkeit gehören.
Diese auf einem neuartigen Ausstoßprinzip basierende Erfindung, bei welcher ein Bläschen erzeugt und von diesem ein bewegliches Element ausgelenkt wird, gewährleistet effizienteres Ausstoßen von Flüssigkeit aus der Ausstoßöffnung als bei einem nach dem herkömmlichen Bläschenstrahlausstoßprinzip arbeitenden Ausstoßkopf.
Mit einer Konfiguration, bei welcher die Temperatur in den ersten Flüssigkeitskanälen gleichzeitig mit der oder unabhängig von der Temperatur in den zweiten Flüssigkeitskanälen geregelt wird, kann die Flüssigkeitsviskosität in Abhängigkeit vom kalten und warmen Zustand verändert werden. Da die Temperatur des Ausstoßflüssigkeit direkt geregelt und dadurch die Flüssigkeitsviskosität verändert wird, können aus jeder Düse veränderliche Flüssigkeitsmengen stabil ausgestoßen werden. Durch die Temperaturregelung der Flüssigkeitskanäle kann eine der Ausstoßfrequenz angepaßte optimale Flüssigkeitsviskosität eingestellt werden.
Die Temperatur der Flüssigkeitskanäle kann nahezu unabhängig von der Temperaturänderung in Abhängigkeit von der Bläschenerzeugungsfrequenz oder der Impulsbreite variiert werden.
Die Temperaturregulierung ist auf einfache Weise präzise und bei entsprechender Ansprechzeit möglich, weil die Flüssigkeiten in den beiden Flüssigkeitskanälen direkt und gleichzeitig erwärmt.
Weil die Temperatur der Ausstoßflüssigkeit auch unabhängig von der Temperatur der Bläschenerzeugungsflüssigkeit reguliert werden kann, erfolgt die Regulierung auch unabhängig von der aus Bläschenerzeugung resultierenden Temperaturänderung. Durch unabhängiges Optimieren der Viskosität der Bläschenerzeugungsflüssigkeit und jener der Ausstoßflüssigkeit oder durch aktives Variieren der Viskositäten können bei einer einzigen Düse verschiedene stabile Ausstoßmengen erreicht werden. In Abhängigkeit von der Unterteilung und der Steuerung der elektrothermischen Wandler kann die Ausstoßmenge für jede Düse eingestellt werden.
Die gemäß der vorliegenden Erfindung erreichten verbesserten Auffülleigenschaften ermöglichen stabiles Wachsen des Bläschens und Ausstoßen stabiler Tintentröpfchen, so daß Hochgeschwindigkeitsdrucken bei guter Bildqualität möglich ist.
Da beim Kopf in Zweikanalkonstruktion eine Bläschenerzeugungsflüssigkeit verwendet werden kann, welche eine gute Bläschenerzeugungseigenschaft hat und keine Ablagerungen auf den Wärme erzeugenden Elementen verursacht, besteht hinsichtlich der Auswahl der Ausstoßflüssigkeit ein großer Spielraum. Deshalb können bei Köpfen in Zweikanalkonstruktion auch stark viskose Flüssigkeiten, welche eine unzureichende Bläschenerzeugungseigenschaft haben, Ablagerungen auf den Wärme erzeugenden Elementen verursachen und sich für das herkömmliche Bläschenstrahlaufzeichnungsverfahren nicht eignen, zuverlässig ausgestoßen werden.
Es können auch wärmeempfindliche Flüssigkeiten ohne Erzeugung schädlicher Effekte durch Wärme verwendet werden.
Der Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch zum Drucken qualitativ hochwertiger Bilder verwendet werden.
Die Konfiguration, bei welcher das Wärme erzeugende Element auf dem beweglichen Element angeordnet ist, ermöglicht zuverlässiges Auslenken des beweglichen Elements durch das beim Speisen des Wärme erzeugenden Elements mit Energie erzeugte Bläschen und dadurch eine stabile Ausstoßmenge bei hoher Ausstoßgeschwindigkeit.
Außerdem gelangt nur wenig Bläschenerzeugungsflüssigkeit in die aus der Ausstoßöffnung auszustoßende Ausstoßflüssigkeit, da auch im Ruhezustand das bewegliche Element die Ausstoßflüssigkeit von der Bläschenerzeugungsflüssigkeit trennt.
Die Konfiguration, bei welcher sowohl auf dem beweglichen Element als auch auf dem Elementsubstrat ein Wärme erzeugendes Element angeordnet ist, bietet auch die nachfolgend genannten zusätzlichen Vorteile.
Das Speisen der Wärme erzeugenden Elemente mit Ausstoßenergie bewirkt eine genauere Ausstoßmenge und eine größere Ausstoßgeschwindigkeit, wobei die Ausstoßmenge und die Ausstoßgeschwindigkeit dadurch variiert werden können, indem entweder nur eines der beiden Wärme erzeugenden Elemente oder beide angesteuert werden.
Trotz Erhöhung der Ausstoßmenge und der Ausstoßgeschwindigkeit können die Düsen in einer größeren Dichte und einer geringeren Länge angeordnet werden, da das Auffüllen bei hoher Geschwindigkeit abläuft.
Da der Kopf so konstruiert werden kann, daß die Mitten der Wärme erzeugenden Elementen übereinstimmen, kann die durch die Ausstoßgeschwindigkeit, die Ausstoßmenge und die Auffüllfrequenz ausgedrückte Ausstoßcharakteristik gut bestimmt werden.
Da die Größe des Wärme erzeugenden Elements und die Lage von dessen Schwerpunkt denen bei einer herkömmlichen Konfiguration entsprechen können, ist eine größere Leistung bei nur minimaler Erhöhung der Fertigungskosten erreichbar.
Wegen der im Bläschenerzeugungsbereich verbleibenden größeren Flüssigkeitsmenge kann der Auffüllvorgang schneller ablaufen.

Claims

Flüssigkeitsausstoßkopf, welcher aufweist: einen mit einer Ausstoßöffnung (18) verbundenen Flüssigkeitskanal (14), ein bewegliches Element (31) mit einer dem Bläschenerzeugungsbereich (11) gegenüber liegenden Fläche, welches durch den Druck des im Bläschenerzeugungsbereich (11) erzeugten, mehr in Richtung Ausstoßöffnung (18) als in entgegengesetzte Richtung wachsenden Bläschens zwischen einer ersten Stellung und einer vom Bläschenerzeugungsbereich (11) etwas weiter entfernten zweiten Stellung auslenkbar ist und ein Element (2) zum Erwärmen der Flüssigkeit.
Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß Anspruch 1, wobei das bewegliche Element (31) ein freies Ende (32) hat, welches durch den Druck des im Bläschenerzeugungsbereich (11) erzeugten Bläschens auslenkbar ist.
Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß Anspruch 1 oder 2, welcher als Seitenschuß-Typ ausgeführt ist.
Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß Anspruch 1 oder 2, welcher als Kantenschuß-Typ ausgeführt ist.
Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Heizelement (2) die Flüssigkeit im Flüssigkeitskanal (14) direkt erwärmt.
Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Flüssigkeitskanal (14) als erster Flüssigkeitskanal dient und der Flüssigkeitsausstoßkopf außerdem einen zweiten Flüssigkeitskanal (16) und eine den ersten Flüssigkeitskanal vom zweiten Flüssigkeitskanal trennende Wand (30) aufweist und wobei das bewegliche Element (31) zwischen dem ersten Flüssigkeitskanal (14) und dem zweiten Flüssigkeitskanal (16) angeordnet ist und der Bläschenerzeugungsbereich (11) innerhalb des zweiten Flüssigkeitskanals (16) liegt.
Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß Anspruch 6, wobei ein zweites Heizelement Bestandteil der den ersten Flüssigkeitskanal (14) vom zweiten Flüssigkeitskanal (16) trennenden Wand (30) ist.
Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß Anspruch 6, wobei das Heizelement ein erstes Heizelement ist und der Flüssigkeitsausstoßkopf außerdem ein zweites Heizelement (2, 1102, 2002) aufweist, welches im ersten Flüssigkeitskanal (14) angeordnet ist und zum Erwärmen der Flüssigkeit im zweiten Flüssigkeitskanal (16) oder zum Erwärmen des an dieses grenzenden Substratabschnitts dient.
Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß Anspruch 7, wobei das zweite Heizelement (2, 1002, 2002) die Flüssigkeit im ersten Flüssigkeitskanal (14) direkt erwärmt.
Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Heizelement (2) ein Bläschen im Bläschenerzeu gungsbereich (11) erzeugt und dadurch das bewegliche Element (31) ausgelenkt wird.
Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß Anspruch 10, wobei das Heizelement als erstes Heizelement dient, der Flüssigkeitsausstoßkopf außerdem ein zweites Heizelement (2, 1002, 2002) zur Erzeugung eines Bläschens im Bläschenerzeugungsbereich (11) aufweist und das erste Heizelement und das zweite Heizelement (2, 1002, 2002; auf entgegengesetzten Seiten des Bläschenerzeugungsbereichs (11) angeordnet sind, wenn das bewegliche Element (31) sich in der ersten Stellung befindet.
Flüssigkeitsausstoßvorrichtung, welche einen Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche und eine Steuersignalgabevorrichtung zum Senden eines Steuersignals an den Flüssigkeitsausstoßkopf zum Ausstoßen von Flüssigkeit aufweist.
Flüssigkeitsausstoßvorrichtung, welche einen Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß Anspruch 11 und eine Steuersignalgabevorrichtung zum Senden eines Steuersignals an den Flüssigkeitsausstoßkopf zum Ausstoßen von Flüssigkeit aufweist, wobei die Steuersignalgabevorrichtung dazu dient, durch Senden eines Steuersignals an das erste Heizelement (2) und das zweite Heizelement zur Erzeugung eines Bläschens im Bläschenerzeugungsbereich unabhängig voneinander oder gleichzeitig die Flüssigkeitsausstoßmenge und die Flüssigkeitsausstoßgeschwindigkeit zu regulieren.
Flüssigkeitsausstoßvorrichtung, welche einen Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß Anspruch 11 und eine Steuersignalgabevorrichtung zum Senden eines Steuersignals an den Flüssigkeitsausstoßkopf zum Ausstoßen von Flüssigkeit aufweist, wobei die Steuersignalgabevorrichtung dazu dient, durch Senden eines Steuersignals an das erste Heizelement (2) ein Bläschens im Bläschenerzeugungsbereich (11) zu erzeugen, nachdem das zweite Heizelement ein Bläschen im Bläschenerzeugungsbereich erzeugt hat.
Flüssigkeitsausstoßvorrichtung, welche einen Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 und eine Druckmediumtransporteinheit zum Transportieren eines Druckmediums zwecks Ausstoßens von Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsausstoßkopf auf dieses aufweist.
Flüssigkeitsausstoßvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 15 zum Drucken durch Ausstoßen von Tinte aus dem genannten Flüssigkeitsausstoßkopf auf Druckpapier.
Flüssigkeitsausstoßvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 15 zum Drucken durch Ausstoßen von Tinte aus dem genannten Flüssigkeitsausstoßkopf auf Gewebe.
Flüssigkeitsausstoßvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 15 zum Drucken durch Ausstoßen von Tinte aus dem genannten Flüssigkeitsausstoßkopf auf Kunststoff.
Flüssigkeitsausstoßvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 15 zum Drucken durch Ausstoßen von Tinte aus dem genannten Flüssigkeitsausstoßkopf auf Metall.
Flüssigkeitsausstoßvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 15 zum Drucken durch Ausstoßen von Tinte aus dem genannten Flüssigkeitsausstoßkopf auf Nutzholz.
Flüssigkeitsausstoßvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 15 zum Drucken durch Ausstoßen von Tinte aus dem genannten Flüssigkeitsausstoßkopf auf Leder.
Flüssigkeitsausstoßvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 15 zum Drucken durch Ausstoßen mehrerer Farbtinten aus dem genannten Flüssigkeitsausstoßkopf auf ein Druckmedium.
Flüssigkeitsausstoßvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei die Ausstoßöffnungen in mehreren Einheiten über die gesamte druckbare Breite des Druckmediums angeordnet sind.
Drucksystem, welches eine Flüssigkeitsausstoßvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 23 und eine Nachbehandlungsvorrichtung zum schnellen Fixieren der Flüssigkeit auf dem Druckmedium nach dem Drucken aufweist.
Drucksystem, welches eine Flüssigkeitsausstoßvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 23 und eine Vorbehandlungsvorrichtung zum Vorbehandeln des Druckmediums vor dem Drukken zwecks Beschleunigung des Fixierens aufweist.
Kopfkartusche, welche einen Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 und einen Flüssigkeitsbehälter zum Versorgen des Flüssigkeitsausstoßkopfes mit Flüssigkeit aufweist.
Ersatzteilkästchen, welches einen Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 und einen Flüssigkeitsbehälter mit Flüssigkeit zum Speisen des Flüssigkeitsausstoßkopfes aufweist.