DE2945658C2

DE2945658C2 -

Info

Publication number: DE2945658C2
Application number: DE2945658A
Authority: DE
Inventors: Toshitami Tokio/Tokyo Jp Hara; Yasushi Kawasaki Kanagawa Jp Sato; Yasushi Machida Tokio/Tokyo Jp Takatori; Yoshiaki Yokohama Kanagawa Jp Shirato
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1978-11-14
Filing date: 1979-11-12
Publication date: 1993-02-04
Also published as: US4251824A; DE2945658A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie auf eine Steuereinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 3.

Aufgrund ihrer außerordentlich niedrigen und vernachlässigbaren Geräuschentwicklung bei dem Aufzeichnungsvorgang haben die anschlaglosen Aufzeichnungsverfahren Aufmerksamkeit gefunden. Von den unterschiedlichen Arten der anschlaglosen Aufzeichnungsverfahren ist ein wirkungsvoller Aufzeichnungsverfahren das sog. Tintenstrahl-Aufzeichnungsverfahren (oder Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungsverfahren), das eine Hochgeschwindigkeits-Aufzeichnung auf gewöhnlichem Papier ohne die Notwendigkeit irgendeiner besonderen Bildfixier-Behandlung erlaubt. Im Hinblick auf diese Leistungsfähigkeit wurden bisher viele Systeme sowie Vorrichtungen erfunden und vorgeschlagen.

Das in der DE-OS 28 43 064 beschriebene Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungsverfahren zeichnet sich dadurch aus, daß Wärmeenergie auf die Flüssigkeit einwirkt, um den Ausstoß der Flüssigkeitströpfchen zu erzielen. Im einzelnen weist das dort beschriebene Aufzeichnungsverfahren die Merkmale auf, daß in der der Einwirkung der Wärmeenergie ausgesetzten Flüssigkeit eine Zustandsänderung hervorgerufen wird, die von einer plötzlichen Volumenssteigerung begleitet ist, wodurch aus einer Düsenöffnung an der Spitze eines Aufzeichnungskopfs Tröpfchen ausgestoßen und auf ein Aufzeichnungsmaterial für die Aufzeichnung der Informationen aufgebracht werden. Dieses Verfahren besitzt auch die Merkmale, daß es wirkungsvoll als sog. "Tröpfchen nach Bedarf"-Aufzeichnungsverfahren angewandt werden kann und daß der Aufzeichnungskopf auf einfache Weise in der Form eines Vollzeilen-Aufbaus mit Mehrfachdüsen hoher Dichte hergestellt werden kann, womit bei hoher Aufzeichnungs-Geschwindigkeit ein Bild mit hoher Bildauflösung und Güte erzielbar ist.

Obgleich somit das vorstehend angeführte Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungsverfahren verschiedene hervorragende Eigenschaften hat, verbleiben dennoch Möglichkeiten zur weiteren Verbesserung hinsichtlich der Aufzeichnung eines Bilds hoher Auflösung und Güte bei gesteigerter Arbeitsgeschwindigkeit und der Aufzeichnung eines Bild mit Tönung in guter Reproduzierbarkeit.

In der DE 22 03 471 A1 ist ein Tintenstrahldrucker beschrieben, der mit Piezoelementen als Druckgenerator arbeitet.

Aus der DE 21 15 530 A1 ist ein Tintenstrahldrucker bekannt, in dessen Tintenkanal Elektroden zur Erzeugung eines Funkenüberschlags für die Tintenausstoßung vorhanden sind. Dies erlaubt aber weder reproduzierbare Tröpfchengröße noch hohe Frequenz und erfordert zu dem einen direkten Stromfluß durch die Tinte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Tintenstrahlaufzeichnungskopf sowie eine Steuereinrichtung hierfür zu schaffen, der bzw. die eine hohe Modulationsfähigkeit der Aufzeichnungspunkte ermöglichen und die Aufzeichnung eines Bilds hoher Auflösung und Güte bei einer konstant gleichmäßigen, hohen Arbeitsgeschwindigkeit erlauben.

Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 bzw. 3 genannten Merkmale gelöst.

Mit der Erfindung wird ein Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungsverfahren geschaffen, das die Aufzeichnung eines Bilds mit Tönung in besserer Reproduzierbarkeit ermöglicht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei einer Ausgestaltung des Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfs wird die Wärmeenergie-Menge durch Speisung einer vorbestimmten Anzahl von Heizkörpern bzw. Heizelementen gesteuert, die entsprechend einem Eingangssignal aus einer Mehrzahl von Heizelementen gewählt werden, die längs eines Strömungswegs in einer mit einer Ausstoß-Düsenöffnung für den Ausstoß von Flüssigkeitströpfchen in einer vorbestimmten Richtung in Verbindung stehenden Flüssigkeitskammer angebracht sind und unabhängig voneinander ansteuerbar sind. Die auf diese Weise gesteuerte Wärmeenergie ruft in der Flüssigkeit in der Flüssigkeitskammer eine plötzliche Zustandsänderung der Flüssigkeit hervor, so daß Bläschen entwickelt werden und hier durch die Flüssigkeitströpfchen für die Aufzeichnung ausgestoßen bzw. herausgeschleudert werden.

Eine weitere Ausgestaltung beruht darauf, daß durch Speisung einer Mehrzahl von Heizkörpern bzw. Heizelementen, die längs einem Strömungsweg in einer mit einer Ausstoß-Düsenöffnung für das Ausstoßen von Flüssigkeitströpfchen in einer vorbestimmten Richtung verbundenen Flüssigkeitskammer angeordnet und jeweils unabhängig voneinander betreibbar sind, in Aufeinanderfolge beginnend von dem innersten Teil des Strömungswegs Wärmeenergie so erzeugt wird, daß eine plötzliche Zustandsänderung der Flüssigkeit hervorgerufen wird, und dadurch für die Aufzeichnung die Flüssigkeitströpfchen aus der Ausstoß-Düsenöffnung ausgestoßen werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Seitenansicht in einem Längsschnitt, die zur Erläuterung des Aufzeichnungsprinzips bei der Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnung dient.

Fig. 2A ist eine schematische perspektivische Ansicht, die eine Vorrichtung zeigt, mittels der die Aufzeichnung ausgeführt wird.

Fig. 2B ist eine schematische Draufsicht für die Erläuterung einer Heizgrundplatte 201 der in Fig. 2A gezeigten Vorrichtung.

Fig. 2C ist eine schematische Schnittansicht entlang der strichpunktierten Linie X-Y in Fig. 2A.

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, die Versuchsergebnisse bei dem Ausstoß von Tröpfchen aus der in den Fig. 2A bis 2C gezeigten Vorrichtung zeigt.

4, 5 und 6 sind jeweils Blockschaltbilder von Ausführungsbeispielen für eine Treiberschaltung zur Ausführung des Aufzeichnungsverfahrens.

Fig. 7A und 7B sind jeweils eine schematische perspektivische Ansicht und eine Draufsicht, die eine Ausführungsform der Vorrichtung zur Ausführung der Aufzeichnung zeigen, wobei die Fig. 7A eine Zusammenbau-Darstellung ist, während die Fig. 7B eine Draufsicht auf eine Nutenplatte 704 ist.

Fig. 8 und 9 sind jeweils Zeitsteuerungsdiagramme zur Erläuterung des Ansteuerungsprinzips bei der Verwendung der Vorrichtung gemäß den Fig. 7A und 7B für die Aufzeichnung.

Fig. 10A, 10B und 10C sind schematische erläuternde Ansichten einer weiteren Vorrichtung zur Ausführung des Aufzeichnungsverfahrens, wobei

Fig. 10A eine perspektivische Ansicht eines Aufzeichnungskopfs der Vorrichtung ist,

Fig. 10B eine zur Darstellung eines Musters von Heizelementen dienende perspektivische Ansicht einer Heizgrundplatte 1007 ist und

Fig. 10C eine Schnittansicht für die Erläuterung des Aufbaus eines Heizelements ist.

Fig. 11 ist ein Eingabe-Zeitsteuerungsdiagramm für die Eingabe von Signalen in Heizelemente 1003-1, 1003-2 und 1003-3.

Fig. 12 ist eine schematische erläuternde Ansicht, die verschiedene Zustände des Tröpfchenausstoßes während einer Zeitperiode t₁ bis t₅ zeigt.

Fig. 13 zeigt unterschiedliche Eingabe-Zeitsteuerungsdiagramme für die Eingabe von Signalen in die Heizelemente 1003-1, 1003-2 und 1003-3.

Nach Fig. 1 wird eine Aufzeichnungsflüssigkeit 103 in eine Flüssigkeitskammer 101 (l+Δl) eingeführt, die einen Aufzeichnungskopf bildet und deren Spitzenende in Form einer Düse ausgebildet ist. Diese Flüssigkeit wird mittels einer geeigneten Druckerzeugungsvorrichtung wie einer Pumpe oder dgl. oder durch hydrostatischen Druck mit einem Druck P eines Werts beaufschlagt, der kein Ausstoßen der Flüssigkeit aus einer Düsenöffnung 102 bewirkt. Wenn nun diese Aufzeichnungsflüssigkeit in einem Abstand l+Δl von der Düsenöffnung 102 der Einwirkung von Wärmeenergie aus einem (nicht gezeigten) sehr kleinen Wärmeerzeugungs- bzw. Heizelement mit der Breite Δl ausgesetzt wird, tritt an einem dem Heizelement benachbarten Bereich 103a der Aufzeichnungsflüssigkeit eine Zustandsänderung der Flüssigkeit auf, so daß in dieser Schaum-Bläschen erzeugt werden. Als Folge davon steigt der Druck innerhalb der Flüssigkleitskammer auf der Breite Δl an, so daß ein Teil der in dem Bereich mit der Breite Δl vorhandenen Aufzeichnungsflüssigkeit 103b aus der Düsenöffnung 102 ausgestoßen und zu einem Aufzeichnungsmaterial 104 hin gespritzt wird, an welchem er an einer vorbestimmten Stelle haftet. Wenn die Wärmeerzeugung aus dem Heizelement endet, wird für den durch den Ausstoß entleerten Teil Aufzeichnungsflüssigkeit in die Flüssigkeitskammer 101 nachgeführt. Bei dem auf diesem Prinzip begründeten Aufzeichnungsverfahren wirkt die Wärmeenergie auf die Aufzeichnungsflüssigkeit unter zeitlicher Unterbrechung ein, wobei diese einwirkende Wärmeenergie die Aufzeichnungsinformationen trägt. Das heißt, durch impulsförmige Wärmeerzeugung aus dem Heizelement entsprechend den Aufzeichnungsinformations-Signalen ist es möglich, zur Entwicklung von Bläschen in der Aufzeichnungsflüssigkeit an dem Teilbereich Δl Zustandsänderungen herbeizuführen und Flüssigkeitströpfchen 105, die aufgrund der Bläschen aus der Düsenöffnung 102 ausgestoßen werden, als Aufzeichnungsinformations-Träger zu erzeugen.

Die Größe der Tröpfchen 105 der Aufzeichnungsflüssigkeit, die aus der Düsenöffnung 102 ausgestoßen und abgespritzt werden, ist abhängig von der Menge der wirksamen Wärmeenergie, dem Ausmaß der Breite Δl des der Einwirkung der Wärmeenergie direkt ausgesetzten Bereichs 103a der Aufzeichnungsflüssigkeit in der Flüssigkeitskammer, dem Innendurchmesser d der Düse bzw. der Flüssigkeitskammer, dem Abstand l von der Düsenöffnung 102 bis zu dem der Wärmeenergie ausgesetzten Bereich Δ1, dem an der Aufzeichnungsflüssigkeit ausgeübten Druck P sowie der spezifischen Wärme, der Wärmeleitfähigkeit, dem Wärmeausdehnungskoeffizienten usw. der Aufzeichnungsflüssigkeit.

Das vorliegende Aufzeichnungsverfahren stellt eine weitere Verbesserung gegenüber diesem Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungsverfahren dar, bei welchem der Aufzeichnungsvorgang durch Ausstoß der Flüssigkeitströpfchen aufgrund dieses Prinzips erfolgt.

Im folgenden wird das Aufzeichnungsverfahren anhand eines in Fig. 2A usw. gezeigten Ausführungsbeispiels des Tintenstrahlaufzeichnungskopfs erläutert.

Gemäß der Darstellung in den Fig. 2A bis 2C ist eine Heizgrundplatte 201 mit Heizkörpern bzw. Heizelementen an einem Kühlkörper 202 angebracht und an ihrer Oberfläche mit einer mit einer Nut versehenen Platte bzw. Nutenplatte 203 abgedeckt, wodurch an dem Übergang zwischen der Heizgrundplatte 201 und der Nutenplatte 203 eine Flüssigkeitskammer 204 gebildet ist. Andererseits ist die Nutenplatte 203 mit einem Tintenzufuhr-Einlaßelement 205 zur Zufuhr der Aufzeichnungsflüssigkeit (Tinte) und einem Stopfen 206 versehen, welcher zur Erleichterung des Entfernens von Schaum und des Reinigens des Kopfes und insbesondere der Flüssigkeitskammer 204 bei der Tintenzufuhr dient. Ferner ist an dem Kopfende der Flüssigkeitskammer 204 eine Düsenöffnungs-Platte 207 angebracht.

Fig. 2B zeigt die Heizgrundplatte 201, an der eine (nicht gezeigte) Grundschicht angebracht ist, die dazu dient, sowohl die Temperatur- und Durchfluß-Steuereigenschaften als auch die Oberflächenglätte sicherzustellen. Auf dieser Grundschicht sind eine Mehrzahl von Heizkörpern bzw. Heizelementen 208-1 bis 208-5, eine Mehrzahl von Wählelektroden 209-1 bis 209-5, eine gemeinsame Elektrode 210 und eine isolierende Schutzschicht 211 ausgebildet, welche durch die gestrichelten Linien dargestellt ist. Bei einem konkreten Ausführungsbeispiel dieses Aufbaus wird auf eine Al₂O₃-Grundplatte SiO₂ als Grundschicht aufgesprüht, dem eine Aufschichtung von ZrB₂ als Heizschicht und Al als Elektrodenschicht folgt, wonach durch selektives Photoätzen der Heizkörper bzw. die Heizelemente ausgebildet werden und abschließend wieder SiO₂ als isolierende Schutzschicht aufgesprüht wird. Der Heizkörper ist beispielsweise 150 µm lang (in Richtung der Breite des Strömungswegs in der Flüssigkeitskammer) und 200 µm breit (in Ausstoßrichtung des Strömungswegs in der Flüssigkeitskammer).

Wenn zwischen die Wählelektroden 209-1 bis 209-5 und die gemeinsame Elektrode 210 eine Spannung angelegt wird, leiten die Heizelemente 208-1 bis 208-5 und erzeugen Wärme.

Fig. 2C ist eine schematische Schnittansicht entlang der Linie X-Y in Fig. 2A und dient zur Erläuterung des Aufbaus und der Funktionsweise des in Fig. 2A gezeigten Aufzeichnungskopfs, bei dem das Flüssigkeitsstrahl- Aufzeichnungsverfahren angewandt wird. Die Nutenplatte 203 ist mit einer feinen Nut versehen (die in der Zeichnung in übertriebenem Maßstab dargestellt ist). Durch Verbinden der Nutenplatte 203 mit der Heizgrundplatte 201 bildet diese Nut die Flüssigkeitskammer 204. Ferner ist an einem Teil der Nutenplatte 203 das Flüssigkeitszufuhr-Einlaßelement 205 angebracht. In diesem Flüssigkeitszufuhr-Einlaßelement 203 sind gemäß der Darstellung in der Zeichnung ein Filter 212 mit einer Vielzahl feiner Öffnungen zum Entfernen kleiner Staubteilchen usw. aus der Flüssigkeit, ein Filter-Halteblock 213 zum Halten des Filters 212, ein Rohreinführungs-Gummielement 215 zum Festklemmen eines Rohrs 214 für die Zufuhr der Tinte (Flüssigkeit) von außen her und ein Halteelement 216 zum Festhalten des Gummielements 215 angebracht. Die Nutenplatte 203 ist ferner mit einer Öffnung zum Entfernen von Schaumbläschen und zum Reinigen der Flüssigkeitskammer 204 während der Zufuhr der Tinte versehen. Die Öffnung ist auf herkömmliche Weise mittels eines O-Rings 217 und des Stopfens 206 verschlossen. An dem Kopfende der Flüssigkeitskammer 204 ist die Düsenöffnungs-Platte 207 angebracht. Diese Düsenöffnungs-Platte 207 dient dazu, Tröpfchen in irgendeiner gewünschten Form zu erzielen. Die Düsenöffnungs-Platte 207 ist nicht notwendig, wenn an dem Kopfende der Flüssigkeitskammer 204 eine Düsenöffnung mit einem vorbestimmten Durchmesser ausgebildet ist.

Wie es in Fig. 2C übertrieben dargestellt ist, sind die Heizelemente 208-1 bis 208-5 in Längsrichtung (in Richtung des Strömungswegs) der Flüssigkeitskammer 204 angeordnet. Bei Stromspeisung erzeugen sie Wärme, so daß sie eine Zustandsänderung der in enger Berührung mit den Heizelementen stehenden Tinte bzw. Flüssigkeit hervorgerufen wird. Diese Flüssigkeits-Zustandsänderung umfaßt eine Ausdehnung und eine Verdampfung der Flüssigkeit, was in der Zeichnung schematisch durch die Bezugszeichen 218-1 bis 218-5 gezeigt ist. Durch die Erzeugung von Bläschen 218-1 bis 218-5 steigt der Druck innerhalb der Flüssigkeitskammer 204 an, so daß die Tinte aus einer in der Düsenöffnungs-Platte 207 ausgebildeten Ausstoß-Düsenöffnung 219 ausgestoßen wird. Ferner werden aufgrund der nachstehend beschriebenen Steuerung Tintentröpfchen mit unterschiedlichen Durchmessern ausgestoßen. Falls die Heizelemente 208-1 bis 208-5 mit gleichen Heizflächen hergestellt werden, entsteht durch Änderung der Anzahl der stromführenden Heizelemente eine Änderung des Gesamtvolumens der Bläschen 218-1 bis 218-5 und damit eine Änderung des Durchmessers der ausgestoßenen Tröpfchen. Dies ergibt sich aus der auf der Anzahl der stromleitenden Heizelemente beruhenden Gesamtoberfläche (Gesamtheizfläche) der Heizelemente, die zur Folge hat, daß sich das Gesamtvolumen der Bläschen 218-1 bis 218-5 ändert. Dies konnte durch Versuche bestätigt werden, bei denen mehrere Heizelemente mit verschiedenen Heizflächen in Längsrichtung der Flüssigkeitskammer (in Richtung des Strömungswegs) angeordnet wurden und selektiv durch die Heizelemente Strom geführt wurde. Das heißt, wenn auf der Heizgrundplatte die Heizelemente mit unterschiedlichen Heizoberflächen ausgebildet wurden und selektiv der Stromführung unterzogen wurden, hat sich bestätigt, daß Änderungen des Durchmessers der ausgestoßenen Tröpfchen entstehen.

Fig. 3 zeigt Versuchsergebnisse über den Zusammenhang zwischen der Anzahl der angesteuerten Heizelemente bdem auf die vorstehend beschriebene Weise vorgenommenen Tröpfchenausstoß und dem Durchmesser der ausgestoßenen Tröpfchen. Gemäß dieser graphischen Darstellung wird eine Kurve a erzielt, wenn der Tröpfchendurchmesser an der Ordinate und die Anzahl der angesteuerten Heizelemente an der Abszisse aufgetragen wird; eine Kurve b wird erzielt, wenn zur Steigerung der Wärmeenergie die Impulsbreite und/oder die Impulsamplitude erhöht wird; eine Kurve c zeigt die Kennlinie bei der Minimal-Wärmeenergie, die zur Erzielung des Tröpfchenausstoßes notwendig ist. Die an der Abszisse aufgetragene Anzahl der Heizelemente stellt eine Angabe über die Gesamtheizfläche der Heizelemente dar.

Im folgenden werden Beispiele für die Ansteuerung bzw. Speisung der Heizelemente bei dem Flüssigkeitsstrahl- Aufzeichnungsverfahren beschrieben.

Fig. 4 ist ein Blockschaltbild, das eine Steuereinrichtung für das Vortreiben der Flüssigkeit durch Ändern der Anzahl der angesteuerten bzw. betriebenen Heizelemente zeigt. Von einem Eingangsanschluß 401 wird ein Eingangssignal zu Vergleichern 403-1 bis 403-5 jeweils über Pufferschaltungen 402-1 bis 402-5 geführt, die den Vergleichern entsprechen. Der Vergleicher 403-1 erzeugt ein Ausgangssignal bei dem Eingangssignal niedrigsten Pegels, während der Vergleicher 403-5 ein Ausgangssignal bei dem Eingangssignal höchsten Pegels erzeugt. Ein jeweiliges Ausgangssignal der Vergleicher 403-1 bis 403-5 gelangt jeweils zu Treiberschaltungen 404-1 bis 404-5. Jede der Treiberschaltungen 404-1 bis 404-5 ist so ausgebildet, daß sie ein Ausgangssignal einer gewünschten Impulsbreite und Impulsamplitude abgibt. Die Spannung bzw. der Strom aus einer jeweiligen Treiberschaltung 404-1 bis 404-5 wird als Ausgangssignal einem jeweiligen Heizelement über die jeweilige Wählelektrode zugeführt, die jeweils mit einem entsprechenden Ausgangsanschluß 405-1 bis 405-5 verbunden ist; dadurch erfolgt die Ansteuerung bzw. Speisung der Heizelemente. Wenn nun bei den Treiberschaltungen 404-1 bis 404-5 die Impulsbreiten und die Impulsamplituden alle gleich sind, wird mit einem Eingangssignal niederigen Pegels nur ein Ausgangssignal aus dem Anschluß 405-1 erzeugt, während bei einem Eingangssignal hohen Pegels alle Anschlüsse 405-1 bis 405-5 gespeist werden. Als Folge davon ändert sich die Anzahl der betriebenen Heizelemente entsprechend dem Eingangssignalpegel.

Eine größere Änderung des Tröpfchendurchmessers kann dann erzielt werden, wenn die Treiberschaltungen 404-1 bis 404-5 so ausgebildet sind, daß in der Aufeinanderfolge von der ersten Treiberschaltung bis zu der fünften Treiberschaltung die Impulsbreite und die Impulsamplitude größer werden.

Ein zweites Verfahren zur Ansteuerung der Heizelemente wird nun anhand der Fig. 5 erläutert, die ein Blockschaltbild einer Steuereinrichtung darstellt, die zum selektiven Betreiben der Heizelemente verwendet wird, wobei die Heizflächen der einzelnen Heizelemente verschieden sind. Das heißt, es wird entsprechend dem Eingangssignalpegel von nur einem einzigen von Anschlüssen 506-1 bis 506-5 ein Treibersignal für das Heizelement abgegeben. Hierzu dienen Vergleicher 503-1 bis 503-5 und Schaltglieder 504-1 bis 504-5.

Nimmt man beispielsweise an, daß bei der Erwärmung, bei der die Heizoberfläche der jeweiligen Heizelemente in unterschiedlicher Größe ausgebildet sind, der Anschluß 506-1 an das Heizelement mit der kleinsten Heizfläche und der Anschluß 506-5 an das Heizelement mit der größten Heizfläche angeschlossen ist, so wird selektiv entsprechend dem Eingangssignalpegel an einem Eingangsanschluß 501 jeweils der Heizelemente betrieben. Dabei sind in Fig. 5 mit 502-1 bis 502-5 Pufferschaltungen und mit 505-1 bis 505-5 Treiberschaltungen beschrieben, die alle die gleichen Funktionen haben wie die in Fig. 4 gezeigten.

Beide vorstehend erläuterten Ansteuerungsverfahren wurden für den Fall erläutert, daß ein Analog-Eingangssignal verwendet wird; wenn als Eingangssignal ein digitales Signal eingegeben wird, sind bei dem Aufbau die Vergleicher nicht notwendig. In diesem Fall nehmen die Treiberschaltungen die Schaltsignale entsprechend dem Eingangssignal auf, um damit ausgewählt und angesteuert zu werden.

Es können auch die Widerstandswerte der einzelnen Heizelemente unterschiedlich gewählt werden. Im einzelnen werden bei einer derartigen Ausführung die fünf Heizelemente 208-1 bis 208-5 mit unterschiedlichen elektrischen Widerstandswerten ausgebildet, wodurch die von den einzelnen Heizelementen erzeugte Wärmeenergie-Menge auch dann unterschiedlich ist, wenn ein Eingangssignal gleichen Pegels eingegeben wird. Folglich kann durch Wahl des anzusteuernden Heizelementes entsprechend dem Eingangssignal der Durchmesser der auszustoßenden Flüssigkeitströpfchen gesteuert werden. Zur Ausbildung der Heizelemente 208-1 bis 208-5 mit jeweils unterschiedlichen Widerstandswerten kann beispielsweise ein Verfahren angewandt werden, bei dem der Film des Heizelements 208-1 am dicksten ausgebildet ist, während der Film des Heizelements 208-5 am dünnsten ausgebildet ist, so daß die Filmdicke vom Heizelement 208-1 zum Heizelement 208-5 hin allmählich dünner wird; diese Heizelemente werden längs des Strömungswegs in der Flüssigkeitskammer 204 in Aufeinanderfolge von dem niedrigsten Widerstandswert (208-1) bis zu dem höchsten Widerstandswert (208-5) angeordnet. Durch selektiven Stromdurchlaß über die Mehrzahl der auf diese Weise ausgebildeten Heizelemente wird der Aufzeichnungsflüssigkeit in der Flüssigkeitskammer 204 Wärmeenergie in umgekehrter Proportion zu dem Widerstandswert zugeführt, so daß in der Aufzeichnungsflüssigkeit Bläschen in einer der Wärmeenergie entsprechenden Größe entwickelt werden und Tröpfchen mit einem der Größe der Bläschen entsprechenden Durchmesser aus der Ausstoß-Düsenöffnung 219 ausgestoßen werden.

Im folgenden wird ein Ansteuerungsverfahren für die Heizelemente erläutert, die längs des Strömungsdurchlasses in der Flüssigkeitskammer 204 angeordnet sind und jeweils unterschiedliche Widerstandswerte haben.

Fig. 6 ist ein Blockschaltbild einer Steuerschaltung für das selektive Betreiben der Heizelemente. An einem Eingangsanschluß 601 eingegebene analoge Eingangssignale werden über Pufferschaltungen 602-1 bis 602-5 an Vergleicher 603-1 bis 603-5 geführt. Der Vergleicher 603-1 ist so geschaltet, daß er bei dem Eingangssignal niedrigsten Pegels ein Ausgangssignal erzeugt. Die anderen Vergleicher 603-2 bis 603-5 sind so geschaltet, daß sie aufeinanderfolgend Ausgangssignale mit höherem Pegel erzeugen, sobald der Eingangssignalpegel höher wird. Folglich werden die Vergleicher 603-1 bis 603-5 entsprechend dem angelegten Eingangssignalpegel durchgeschaltet. Das heißt, mit dem Eingangssignal niedrigsten Pegels wird nur der Vergleicher 603-1 eingeschaltet, während mit dem Eingangssignal maximalen Pegels alle Vergleicher 603-1 bis 603-5 eingeschaltet werden. Diese Einschaltsignale werden in einer Wählschaltung 604 entsprechend dem Pegel des ursprünglichen Eingangssignals verarbeitet und gewählt, wodurch irgendeines von Schaltgliedern 606-1 bis 606-5 durchgeschaltet wird.

Wenn beispielsweise andererseits das Eingangssignal niedrigsten Pegels vorliegt, wird von dem Ver gleicher 603-1 ein Ausgangssignal zur Eingabe in eine Impulstreiberschaltung 605 erzeugt, wodurch ein Ausgangssignal mit gewünschter Impulsbreite und gewünschter Impulsamplitude als Eingangssignal in das Schaltglied 606-1 eingegeben wird. Diejenigen der Schaltglieder 606-1 bis 606-5, die mittels der Wählschaltung 604 angewählt worden sind, werden durchgeschaltet und übertragen ein Ausgangssignal der Impulstreiberschaltung 605 zu einem jeweiligen Ausgangsanschluß 607-1 bis 607-5. Nimmt man an, daß das Heizelement mit dem dünnsten Film, d. h. dem höchsten Widerstandswert an den Anschluß 607-1 angeschlossen ist und das Heizelement mit dem dicksten Film, d. h. dem niedrigsten Widerstandswert an den Anschluß 607-5 angeschlossen ist, so wird entsprechend dem Eingangssignalpegel bei niedrigem Eingangspegel das Heizelement mit dem höchsten Widerstandswert betrieben, während bei dem höchsten Eingangspegel das Heizelement mit dem niedrigsten Widerstandswert betrieben wird.

In den vorstehenden Erläuterungen ist der Fall der Verwendung eines analogen Signals als Eingangssignal beschrieben. Wenn jedoch ein Aufbau verwendet wird, bei dem ein den Signalpegel darstellendes digitales Eingangssignal verwendet wird, können die Vergleicher entfallen, während in der Wählschaltung die Wahl entsprechend dem eingegebenen digitalen Signal erfolgt und das Heizelement entsprechend der Wählschaltung selektiv betrieben wird. Ferner wurde bei den vorstehenden Erläuterungen die Erzielung unterschiedlicher Widerstandswerte im Hinblick auf die Filmdicke beschrieben. Heizelemente mit unterschiedlichen Widerstandswerten können jedoch auch mit Hilfe von unterschiedlichen Arten von Widerstandsmaterial gebildet werden.

Gemäß den vorstehenden Erläuterungen dieses Ausführungsbeispiels werden die Aufzeichnungsvorgänge dadurch vorgenommen, daß die zu erzeugende Wärmeenergie durch Anwahl der Heizelemente mit unterschiedlichen Widerstandswerten gesteuert wird und dadurch die ausgestoßenen Tröpfchen in ihrer Größe verändert werden. Im folgenden wird ein davon verschiedenes Ausführungsbeispiel erläutert.

Die Fig. 7 bis 9 zeigen eine Ausführungsform, bei der mehrere Ausstoß-Düsenöffnungen vorgesehen sind.

Fig. 7A ist eine auseinandergezogen dargestellte perspektivische Ansicht für die Erläuterung des Gesamtaufbaus eines Aufzeichnungskopfs. Gemäß Fig. 7B ist die Oberfläche einer Heizgrundplatte 700 wie im Falle der vorangehenden Ausführungsbeispiele mit Heizkörpern bzw. Heizelementen 701-1 bis 701-7, einer gemeinsamen Elektrode 702 und Wählelektroden 703-1 bis 703-7 ausgestaltet. Der Unterschied dieser Ausführungsform gegenüber dem vorangehenden Ausführungsbeispiel liegt darin, daß die mehreren Heizelemente 701-1 bis 701-7 die gleiche Fläche und den gleichen Widerstandswert haben und daß jeweils ein einzelnes Heizelement entsprechend an einer später beschriebenen einzelnen Flüssigkeitskammer angebracht ist. Die Heizgrundplatte 700 ist mit einer Nutenplatte 704 abgedeckt, um dadurch eine Mehrzahl von Flüssigkeitskammern an der Anschlußseite der Heizgrundplatte 700 zu bilden. An der anderen Seite ist die Nutenplatte 704 mit einem Tintenzufuhrrohr 705 für die Zufuhr von Tinte zu den Flüssigkeitskammern versehen; ferner hat die Nutenplatte eine gemeinsame Tintenzuführungs- Nut 707 zur Zufuhr der Tinte zu einzelnen kleinen Nuten 708-1 bis 708-7, die die vorstehend genannten Flüssigkeitskammern bilden. An einem Ende der Heizgrundplatte 700 und der Nutenplatte 704 ist eine Düsenöffnungs-Platte 706 angebracht.

Nunmehr wird anhand der Fig. 7B die Nutenplatte 704 in Einzelheiten erläutert. Die Nutenplatte 704 ist aus Glas oder einem ähnlichen Material gebildet, in welchem durch Ätzen die gemeinsame Tintenzuführungsnut 707 ausgebildet ist und auf gleichartige Weise die Nuten 708 geformt sind, die die Flüssigkeitskammern bilden sollen. Zur Durchführung der Tinte von außen her dient eine Öffnung 709, an die das Tintenzufuhrrohr 705 angeschlossen ist. Die Nutenplatte 704 mit den Nuten 708-1 bis 708-7 wird so mit der Heizgrundplatte 700 verbunden, daß eine Mehrzahl von Flüssigkeitskammern gebildet ist. Das heißt, die Nuten 708-1 bis 708-7 werden so ausgebildet, daß sie jeweils zugeordneten Heizelementen entsprechen.

Ein jeweiliges Heizelement 701-1 bis 701-7 wird durch Vorhandensein oder Fehlen eines Eingangssignals von außen her angewählt und betrieben. Die bei der Ansteuerung des Heizelements angelegte Energie unterscheidet sich in Abhängigkeit von dem Pegel des Eingangssignals. Das Steuerverfahren hierfür ist für die Heizelemente 701-1 bis 701-7 das gleiche, so daß daher die folgende Erläuterung nur auf ein Heizelement gerichtet ist.

Zunächst wird dann, wenn eine Spannung gleicher Impulsbreite, jedoch unterschiedlicher Impulsamplitude aufeinanderfolgend an das Heizelement 701 angelegt wird, der Durchmesser des ausgestoßenen Tröpfchens mit einer Steigerung der Impulsbreite größer. Wenn andererseits eine Spannung an das Heizelement so angelegt wird, daß ihre Impulsbreite unterschiedlich ist, wird der Durchmesser des ausgestoßenen Tröpfchens gleichfalls selbst dann größer, wenn die Spitzentemperatur des Heizelements 701 konstant ist.

Im folgenden wird anhand der Fig. 8 und 9 der Fall erläutert, daß die Aufzeichnungsvorgänge tatsächlich mittels der vorstehend beschriebenen Steuerverfahren ausgeführt werden. Fig. 8 ist eine erläuternde Darstellung für den Fall, daß die Amplitude eines Signals für die Ansteuerung des Heizelements verändert wird, wobei A die Impulsform eines an das Heizelement angelegten Signals, B die Temperatur an der Oberfläche des Heizelements, C das Volumen der in den mit der Aufzeichnungsflüssigkeit gefüllten Flüssigkeitskammern entwickelten Bläschen und D die Größe des in einem jeweiligen Fall dem Tröpfchendurchmesser entsprechenden Aufzeichnungspunkts zeigt.

Gemäß der Darstellung in Fig. 8 wird mit steigender Amplitude des Impulssignals die Oberflächentemperatur des Heizkörpers höher, was zur Folge hat, daß auch das Volumen der gebildeten Bläschen größer wird und dementsprechend das Format der ausgestoßenen Tröpfchen größer wird.

Fig. 9 dient zur Erläuterung des Falls, bei dem die Impulsbreite verändert wird, wobei A die Impulsform des Signals, B die Oberflächentemperatur des Heizelements, C das Volumen der entwickelten Bläschen und D die Abmessung der ausgestoßenen Tröpfchen zeigt.

Wenn gemäß der Darstellung in Fig. 9 das Heizwiderstandselement dadurch betrieben wird, daß die Impulsamplitude so eingestellt wird, daß der Maximalwert der Oberflächentemperatur bei veränderter Signalimpulsbreite gleich wird, kann festgestellt werden, daß mit größerer Impulsbreite das Volumen der Bläschen größer wird, so daß dementsprechend der Durchmesser der ausgestoßenen Tröpfchen größer wird.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 10 bis 13 erläutert.

Ein eine in Fig. 10A gezeigte Aufzeichnungsvorrichtung bildender Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf ist mit drei Heizelementen längs des Strömungswegs in einer Flüssigkeitskammer angeordnet. Diese drei Heizelemente werden aufeinanderfolgend von dem innersten Teil des Strömungswegs her angesteuert, um dadurch den Tröpfchenausstoß herbeizuführen. Das heißt, die aus einem Tinteneinführungsrohr 1001 in eine Flüssigkeitskammer 1002 eingeführte Aufzeichnungsflüssigkeit wird einer momentanen Zustandsänderung, d. h., einer Flüssigkeitsausdehnung oder Verdampfung dadurch unterzogen, das Heizelemente 1003-1, 1003-2 und 1003-3 aufeinanderfolgend zur impulsförmigen Wärmeabgabe angesteuert werden.

Durch diese Zustandsänderung der Flüssigkeit werden aus einer Düsenöffnung 1004 Tröpfchen 1006 ausgestoßen und abgespritzt. Die Heizelemente sind an einer Grundplatte 1007 abgebracht, wobei durch Anschließen einer Stromquelle 1008 in Übereinstimmung mit dem Aufzeichnungs-Eingangssignal eine Spannung an die Elemente über Elektroden 1009-A und 1009-B angelegt wird, wodurch die Heizelemente Wärme erzeugen.

Fig. 10B zeigt schematisch ein Muster bzw. eine Anordnung der an der Grundplatte 1007 angebrachten Heizelemente 1003. Gemäß der Darstellung sind längs der Flüssigkeitskammer mehrere Heizelemente 1003-1, 1003-2 und 1003-3 angebracht. Durch Anlegen eines Eingangssignals an diese Heizelemente 1003-1, 1003-2 und 1003-3 in aufeinanderfolgender Phasen-Versetzung von dem von der Düsenöffnung am weitesten entfernten Ort bis zu dem der Düsenöffnung nächsten Ort wird es möglich, die auf das Auftreten der Zustandsänderung der Aufzeichnungsflüssigkeit zurückuführende Bewegungskraft wirkungsvoll als Ausstoßkraft zu nutzen, wodurch eine Energieersparnis erzielt wird. Zugleich wird eine Stoßwelle (die sog. "Gegenwelle") zum Tinteneinführungsrohr 1001 hin verringert, die durch die plötzliche Zustandsänderung verursacht wird; dadurch erfolgt ein schnelles Nachfüllen der Aufzeichnungsflüssigkeit in die Flüssigkeitskammer 1002. Als Folge davon ist der Strombedarf der Heizelemente 1003 verringert, so daß die Leistungsspeisung unterhalb der kritischen Temperatur für die Wärmefestigkeit der Heizelemente 1003 vorgenommen werden kann, wobei zugleich der Zyklus der Heizelemente 1003 hinsichtlich ihrer Wärmeerzeugung und ihrer Abkühlung abgekürzt wird, so daß eine Aufzeichnung mit hoher Geschwindigkeit ermöglicht ist. Ferner wird ein gleichmäßiger Ausstoß der Tröpfchen in einem Bereich möglich, in welchem die Heiztemperatur der Heizelemente 1003 niedrig ist, so daß daher die Lebensdauer der Heizelemente 1003 und damit die der ganzen Vorrichtung verlängert werden kann.

Fig. 10C ist ein Vertikalschnitt durch eine Flüssigkeitskammer-Nut an dem Teilbereich eines Heizelements 1003 nach Fig. 10A. Dieses entspricht im Aufbau einer später beschriebenen Ausführungsart.

Fig. 11 ist eine Darstellung eines Beispiels einer Eingabezeitsteuerung für Eingangssignale der Heizelemente 1003-1, 1003-2 und 1003-3. Bei diesem Zeitsteuerungsdiagramm stellen die ausgezogenen Linien die an die Heizelemente angelegten Signalimpulse, die strichpunktierten Linien die Temperaturänderungen in den Heizelementen und die gestrichelten Linien die zeitlichen Volumensänderungen von durch die Einwirkung der Wärmeenergie entwickelten Bläschen dar.

Fig. 12 ist eine schematische Darstellung von sich ändernden Volumina von Bläschen, die während einer Periode von t₁ bis t₅ nach Fig. 11 an dem Teilbereich eines jeweiligen Heizelements entwickelt werden. Aus dieser Darstellung ist ersichtlich, wie durch Anlegen eines Signalimpulses an jedes der Heizelemente unter Phasenversetzung die Aufzeichnungsflüssigkeit in der Flüssigkeitskammer 1002 aus der Düsenöffnung herausgestoßen wird. Ferner ist aus dieser Darstellung ersichtlich, daß der nach hinten gerichtete Einfluß der Stoßwelle, die auf die Zustandsänderung der Flüssigkeit zurückzuführen ist, welche durch die Wärmeerzeugung in den Heizelementen 1003-2 und 1003-3 zu dem Zeitpunkt t₂ entsteht, durch die Zustandsänderung der Flüssigkeit an dem Heizelement 1003-1 abgeschwächt wird und wie die Aufzeichnungsflüssigkeit gleichförmig bzw. stoßfrei in der Aufeinanderfolge von dem Bereich an dem Heizelement 1003-1 bis zu dem Bereich an dem Heizelement 1003-2 in die Flüssigkeitskammer 1002 nachgefüllt wird.

Fig. 11 zeigt den Fall, daß Signalimpulse gleichen Pegels aufeinanderfolgend an die jeweiligen Heizelemente angelegt werden, wobei nur eine Eingabezeit versetzt ist; dieses Anlegen der Signalimpulse an die Heizelemente kann auch unter Veränderung des Pegels der Signalimpulse erfolgen. Es ist ferner anzumerken, daß hinsichtlich der Anzahl der Heizelemente keine Einschränkung auf drei besteht, sondern irgendeine gewünschte Anzahl von Heizelementen längs der Flüssigkeitskammer angeordnet werden kann, an die von dem innersten Teil der Flüssigkeitskammer her aufeinanderfolgend die Eingangssignalimpulse angelegt werden.

Im folgenden wird ein Beispiel beschrieben, bei dem unter Herstellung des Aufzeichnungskopfs mit dem in Fig. 10 gezeigten Aufbau ein tatsächlicher Aufzeichnungsvorgang ausgeführt wird.

Auf eine Aluminium-Grundplatte 1007 mit 1 mm Dicke wurden in Aufeinanderschichtung eine SiO₂-Schicht 1010 als Wärmebeständigkeits-Beschichtung in einer Dicke von 4 µm, eine ZrB₂-Schicht 1011 als Heizschicht in einer Dicke von 60 nm und Aluminium-Schichten 1009-A und 1009-B als Elektroden in einer Dicke von 500 nm aufgesprüht. Danach wurden durch einen selektiven Photoätzvorgang drei Heizelemente mit dem Format 200 µm · 200 µm mit einem Zwischenraum von 50 µm ausgebildet.

Darauffolgend wurde auf die Heizelemente 1003 als Schutzbeschichtung 1012 SiO₂ in einer Dicke von 0,5 µm aufgesprüht, wodurch die Heizgrundplatte fertiggestellt war. In einem nächsten Schritt wurde eine Nutenplatte 1013 mit einer Nut von 300 µm Breite und 150 µm Tiefe derart auf die Heizelemente 1003 aufgeklebt, daß die Nut die Heizelemente überdeckte; darauffolgend wurde an die Rückseite der Nut das Tinteneinführungsrohr 1001 angeschlossen.

Dabei hatten alle drei Heizelemente 1003-1, 1003-2 und 1003-3 einen Widerstandswert von 100 Ohm. Danach wurden gemäß der Darstellung in Fig. 13 an die Heizelemente in Aufeinanderfolge beginnend von dem der Düsenöffnung her gesehen am weitesten entfernten Element unter einer Versetzung von 5 µs eine Rechteckspannung von 25 V mit einer Impulsbreite von 20 µs, eine Rechteckspannung von 30 V mit einer Impulsbreite von 15 µs und eine Rechteckspannung von 35 V mit einer Impulsbreite von 10 µs angelegt.

Bei diesem Beispiel konnte ein gleichmäßiger Tröpfchenausstoß bis zu einem Impulszyklus von 100 µs erzielt werden.

Als nächstes wurden die Rechteckspannungen mit den Impulsbreiten 20 µs bis 10 µs in einem Bereich von 25 bis 35 V gleichzeitig an diese drei Heizelemente 1003-1, 1003-2 und 1003-3 angelegt und dann mit dem Fall verglichen, bei dem ein Phasenunterschied der Signalimpulse vorhanden war. Es wurde festgestellt, daß im Falle des gleichzeitigen Anlegens der Tröpfchenausstoß bei einem Impulszyklus von 200 µs ungleichmäßig wurde und bei einem Impulszyklus von 100 µs kein Tröpfchenausstoß herbeigeführt werden konnte. Hinsichtlich des Leistungsverbrauchs bei der gleichen Frequenz wurde festgestellt, daß er im zuerst genannten Fall immer geringer war.

Als Aufzeichnungsflüssigkeit (bzw. Tinte) wurde dabei folgende Zusammensetzung gemischt, aufgelöst und über ein Filter gefiltert:

Toluol\|70 g
Äthylenglykol	28 g
Ölruß HBB (von Orient Chemical Co.)	2 g

Claims

1. Tintenstrahlaufzeichnungskopf mit zumindest einer Ausstoßöffnung zum Ausstoßen von Aufzeichnungsflüssigkeit, einem mit der Ausstoßöffnung kommunizierenden Flüssigkeitspfad und mehreren durch eine Steuereinrichtung ansteuerbaren elektrothermischen Wandlerelementen zum Erzeugen von auf den Flüssigkeitspfad einwirkender Energie unter Erzeugung zumindest eines Bläschens, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrothermischen Wandlerelemente aufeinanderfolgend entlang des Flüssigkeitspfads angeordnet sind und unterschiedliche Flächen aufweisen.

2. Tintenstrahlaufzeichnungskopf mit zumindest einer Ausstoßöffnung zum Ausstoßen von Aufzeichnungsflüssigkeit, einem mit der Ausstoßöffnung kommunizierenden Flüssigkeitspfad und mehreren durch eine Steuereinrichtung ansteuerbaren elektrothermischen Wandlerelementen zum Erzeugen von auf den Flüssigkeitspfad einwirkender Energie unter Erzeugung zumindest eines Bläschens, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrothermischen Wandlerelemente aufeinanderfolgend entlang des Flüssigkeitspfads angeordnet sind und unterschiedliche Widerstandswerte besitzen.

3. Steuereinrichtung zur Ansteuerung eines Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfs, der gemäß Anspruch 1 oder 2 ausgebildet ist oder zumindest eine Ausstoßöffnung zum Ausstoßen von Aufzeichnungsflüssigkeit, und mehrere elektrothermische Wandlerelemente zum Erzeugen von auf einen zur Ausstoßöffnung führenden Flüssigkeitspfad einwirkender Energie zur Erzeugung zumindest eines Bläschens für die Flüssigkeitströpfchenausstoßung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei benachbarte elektrothermische Wandlerelemente zusammenwirkend angesteuert werden.

4. Steuereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest zwei zusammenwirkend anzusteuernden, benachbarten elektrothermischen Wandlerelemente aufeinanderfolgend entlang des Flüssigkeitspfads angeordnet sind und aufeinanderfolgend in Richtung zur Ausstoßöffnung angesteuert werden.

5. Steuereinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß an die elektrothermischen Wandlerelemente elektrische Treibersignale derselben Amplitude und Dauer zeitgleich bzw. zeitversetzt angelegt werden.

6. Steuereinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die an die zusammenwirkend anzusteuernden elektrothermischen Wandlerelemente angelegten elektrischen Treibersignale zeitversetzt beginnen und zeitgleich enden.