DE3855832T2

DE3855832T2 - Tintenstrahlspritzdüsen

Info

Publication number: DE3855832T2
Application number: DE3855832T
Authority: DE
Inventors: Kenneth H Fischbeck; Paul A Hoisington; Robert R Schaffer
Original assignee: Spectra Inc
Current assignee: Fujifilm Dimatix Inc
Priority date: 1987-09-09
Filing date: 1988-09-01
Publication date: 1997-10-02
Anticipated expiration: 2008-09-02
Also published as: ATE116208T1; DE3852635T2; EP0339058A4; EP0339058A1; DE3855832D1; EP0339058B1; JPH02500584A; EP0597557A2; JP2543972B2; EP0597557B1; EP0597557A3; DE3852635D1; US4835554A; ATE149919T1; WO1989002577A1; BR8807198A; KR890702000A; CA1306898C; KR920010736B1

Description

Diese Erfindung betrifft Tintenstrahlkopfanordnungen und insbesondere eine neue und verbesserte Tintenstrahlkopfanordnung, die eine kompakte und äußerst wirksame Mehrfachanordnung von Tintenstrahlen in einer bequemen und wirksamen Weise liefert.
In herkömmlichen Tintenstrahiköpfen, neigt Tinte, die während einer Zeitdauer nahe der Tintenstrahlöffnung gehalten wird, während der Strahl nicht betrieben wird, dazu, Luft aus der Atmosphäre zu absorbieren. Wenn der Tintenstrahl nachfolgend betätigt wird, kann eine Entspannung der Tinte nahe der Strahlöffnung, wenn ein Unterdruck während des Arbeitszyklus des Tintenstrahls angewendet wird, bewirken, daß sich Blasen in der Druckkammer nahe der Öffnung bilden. Solche Blasen müssen von der Tinte entfernt werden, um eine Störung beim Betrieb des Tintenstrahls zu vermeiden.
In Tintenstrahlsystemen, die thermoplastische oder heißschmelzende Tinten verwenden, bewirken Abkühlen und Verfestigen der Heißschmelztinte in dem Bereich nahe der Strahlöffnung, wenn der Betrieb des Systems beendet wird, daß sich die Tinte zusammenzieht, Luft nach innen durch die Öffnung in die Druckkammer einzieht. Als ein Ergebnis enthält das nächste Mal, wenn die Tinte geschmolzen wird, um das System zur Verwendung vorzubereiten, die Druckkammer Luftblasen, die, wie es oben hervorgehoben worden ist, den Betrieb stören, bis sie entfernt werden. Des weiteren kann sich, wo Heißschmelztinten, die Pigment enthalten, verwendet werden, das Pigment aus der Tinte absetzen und während der Ruhezeitperioden zusammenklumpen, wenn die Tinte im geschmolzenen Zustand gehalten wird, aber der Tintenstrahl nicht verwendet wird.
Um den positiven Druckimpuls, der durch einen piezoelektrischen Kristall entwickelt wird, zu verstärken, einen Tintentropfen durch die Öffnung für einen Tintenstrahl auszustoßen, ist vorgeschlagen worden, eine großräumige Kammer vorzusehen, die mit dem Ende der Druckkammer nahe dem Tintenvorrat in Verbindung steht, um eine niedrige, akustische Impedanz für Druckimpulse von der Kammer zu schaffen, so daß ein negativer Druckimpuls, der auf die Druckkammer durch den piezoelektrischen Kristall ausgeübt wird, durch die Kammer mit der niedrigen akustischen Impedanz zurück durch die Druckkammer als ein positiver Impuls reflektiert wird, der dann durch den piezoelektrischen Wandler verstärkt wird, wenn er sich in Richtung zu der Tintenstrahlöffnung bewegt, um einen Tintentropfen auszustoßen Solche großräumigen Kammern mit niedriger akustischer Impedanz verlangen jedoch eine sehr große Bauweise für den Tintenstrahlkopf, wodurch eine kompakte Mehrfachanordnung von eng beabstandeten Tintenstrahlen verhindert wird. Des weiteren neigt, wenn zwei Tintenstrahlöffnungen mit derselben Tintenzuführleitung verbunden sind, der Betrieb eines Tintenstrahls dazu, die Arbeitsweise des anderen Tintenstrahls zu beeinflussen, der mit derselben Zuführleitung verbunden ist, wodurch ein Übersprechzustand erzeugt wird. Ferner ist der Abstand der Tintenstrahlöffnungen in einer Tintenstrahlmehrfachanordnung allgemein durch die minimale Weite der Druckkammern begrenzt worden, die mit den Öffnungen in Verbindung stehen, die üblicherweise ungefähr ein Millimeter ist.
Demgemäß ist es eine Zielsetzung der vorliegenden Erfindung, eine neue und verbesserte Tintenstrahlmehrfachanordnung zu schaffen, die die obengenannten Nachteile des Standes der Technik überwindet.
Eine andere Zielsetzung der Erfindung ist, eine Tintenstrahlmehrfachanordnung zu schaffen, die die Wirkung der Lufteinführung in die Druckkammer auf eine bequeme und wirksame Weise vermeidet.
Eine weitere Zielsetzung der Erfindung ist, eine Tintenstrahlmehrfachanordnung zu schaffen, in der das Absetzen von Pigmenten aus einer pigmentierten Heißschmelztinte während der Ruhepenoden wirksam verhindert wird.
Eine zusätzliche Zielsetzung der Erfindung ist, eine kompakte und wirksame Tintenstrahlmehrfachanordnung zu schaffen, die eng beabstandete Strahlenöffnungen aufweist.
Diese und andere Zielsetzungen der Erfindung werden erreicht, indem eine Tintenstrahlmehrfachanordnung geschaffen wird, in der jede Tintenstrahlöffnung mit einem Tintenweg in geschlossener Schleifenform in Verbindung steht, durch den Tinte während der Ruheperioden des Tintenstrahlbetriebs umlaufen kann, um Pigment in Suspension zu halten und Tinte, die gelöste Luft enthält, von der Druckkammer fort zu transportieren. Um Impulse, die in einer Druckkammer erzeugt werden, die an einem Ende mit einer Tintenstrahlöffnung in Verbindung sind, zu verstärken, kann eine Kammer mit einer niedrigen akustischen Impedanz, die einen Wandabschnitt hoher Compliance aufweist, mit dem entgegengesetzten Ende der Druckkammer verbunden sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind zwei benachbarte Tintenstrahlen mit einem Durchgang hoher Impedanz angeordnet, der sich zwischen dem Bereich nahe der Öffnung eines Strahls und der Kammer mit kleiner akustischen Impedanz erstreckt, die mit der Druckkammer in Verbindung steht, die zu der Öffnung des anderen Strahls führt. Auf diese Weise wird ein Umlaufweg in der Form einer geschlossenen Schleife für die Tinte, die jeder Öffnung zugeführt wird, durch die Verbindung hoher Impedanz und der Kammer mit niedriger akustischer Impedanz vervollständigt, die mit der Druckkammer für die benachbarte Öffnung verbunden ist. Bei einer weiteren bevorzugten Anordnung sind die Druckkammern, die zu benachbarten Öffnungen führen, im allgemeinen in paralleler Beziehung auf entgegengesetzten Seiten einer Ebene angeordnet, die sich durch die Achsen der Öffnungen erstreckt, wodurch gestattet wird, daß der Abstand zwischen benachbarten Öffnungen ungefähr die halbe Weite der in Beziehung stehenden Druckkammer und des Druckwandlers ist. Wenn der Kanal hoher Impedanz die Hälfte der akustischen Länge der Druckkammer ist, dann wird die positive Druckwelle, die zurück zu der Öffnung durch den Kanal hoher Impedanz reflektiert wird, die positive Druckwelle von der Druckkammer an der Öffnung verstärken. Dies minimiert irgendwelche Unwirksamkeit, die durch die Gegenwart des Umlaufweges eingeführt wird.
In den beigefügten Zeichnungen:
Fig. 1 ist eine schematische, teilweise aufgebrochene Seitenansicht, die eine repräsentative Tintenweganordung mit geschlossener Schleife darstellt, die eine Anordnung für eine fortlaufende Tintenzirkulation zur Verwendung in einer Tintenstrahlmehrfachanorndung gemäß der Erfindung bereitstellt;
Fig. 2 ist eine schematische, teilweise aufgebrochene Teilseitenansicht, die eine Verbindung hoher Impedanz in einem Tintenflußweg mit geschlossener Schleife zur Verwendung in einer Tintenstrahlmehrfachanordnung gemäß der Erfindung darstellt;
Fig. 3 ist eine schematische, teilweise aufgebrochene Teilansicht, die eine andere Ausführungsform darstellt, die einen Tintenflußweg mit geschlossener Schleife zur Verwendung in einer Tintenstrahlmehrfachanordnung gemäß der Erfindung zeigt, in der die Druckkammer mit einer Kammer mit niedriger akustischer Impedanz in Verbindung steht.
Fig. 4 eine schematische, teilweise aufgebrochene Draufsicht ist, die die Anordnung zweier benachbarter Paare von Tintenstrahlen in einer Tintenstrahlmehrfachanordnung darstellt, die gemäß der Erfindung ausgestaltet ist;
Fig. 5 ist eine Längsschnittansicht, die entlang der Linie 5-5 der Fig. 4 genommen ist und in Richtung der Pfeile blickt; und
Fig. 6 ist eine perspektivische Sprengansicht, die die Anordnung der Bauteile bei einer repräsentativen Tintenstrahlmehrfachanordnung mit 48 Strahlen zeigt, die gemäß der Erfindung angeordnet sind.
In der schematischen Darstellung eines repräsentativen Tintenstrahlkopfes, der in Fig. 1 gezeigt ist, ist ein akustischer Wandler 10 an einer Wand einer Druckkammer 11 angebracht, die mit einer Tintenstrahlöffnung 12 in Verbindung steht, durch die ein Tintentropfen 13 durch Betrieb des Wandlers 10 ausgestoßen wird. Während jeden Betriebszyklus des Wandlers 10 werden positive und negative Druckimpulse auf die Tinte in der Druckkammer 11 angewendet.
Bei einem Tintenstrahlsystem mit Tropfen-auf-Anforderung können einer oder mehrere der Tintenstrahlen in einem Ruhezustand während einer beträchtlichen Zeitdauer gehalten werden. Während solcher Zeitdauern neigt die Tinte in der Druckkammer 11, die normalerweise auf einem Druck etwas unterhalb des Atmosphärendrucks gehalten wird, um das Auslaufen der Tinte durch die Öffnung zu verhindern, dazu, Luft von der Atmosphäre durch die Öffnung zu absorbieren, die dann in der Tinte gelöst wird. Wenn dieser Tintenstrahl dann aktiviert wird, bewirkt der negative Druckimpuls, der durch den Wandler 10 auf die Tinte in der Druckkammer 11 angewandt wird, daß die gelöste Luft Luftblasen bildet, die das richtige Ausstoßen der Tintentropfen 13 aus der Öffnung 12 stören. Ferner ist in Heißschmelztintenstrahlsystemen die Tinte normalerweise bei Raumtemperatur fest, wird aber in einen geschmolzenen Zustand erwärmt, wenn das Tintenstrahlsystem verwendet werden soll. Wenn solche Tintenstrahlsysteme nicht in Verwendung ist, kühlt die Tinte in der Druckkammer ab und verfestigt sich, wodurch bewirkt wird, daß sie sich zusammenzieht und Luft in die Druckkammer durch die Öffnung 12 einzieht, was auch die Erzeugung von Luftblasen ergibt, wenn die Tinte erneut während des Starts des Systems geschmolzen wird. Außerdem enthalten gewisse Arten von Tinten, die in Tintenstrahlsystemen verwendet werden suspendiertes Pigment. Wenn solche Tinten in einem stationären Zustand während längerer Zeitdauern gehalten werden, neigt das Pigment dazu, sich abzusetzen und zusammenzuklumpen.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Anordnung werden diese schwierigkeiten vermieden, indem bewirkt wird, daß ein Druckunterschied zwischen den Leitungsabschnitten 14 und 15 an den entgegengesetzten Enden der Druckkammer 11 angewendet wird und eine geschlossene Schleife gebildet wird, die einen fortlaufenden Umlauf der Tinte durch die Druckkammer erlaubt. In der dargestellten Ausführungsform ist ein Entlüftungsdurchgang 16 vorgesehen, der beispielsweise von der Art sein kann, wie er in PCT/US88/01045 oder in der US Anmeldung Nr. 43,727 beschrieben ist, in dem gelöste Luft aus der Tinte durch luftdurchlässige Membranen herausgezogen wird, die bei niedrigem Druck aufrechterhalten werden. Der Umlauf der Tinte auf dem Weg mit geschlossener Schleife, der durch den Entlüftungsdurchgang 16, die Leitungsabschnitte 14 und 15 und die Druckkammer 11 gebildet wird, kann hergestellt werden, indem einer der vertikal ausgerichteten Abschnitte des Weges mit geschlossener Schleife auf eine höhere Temperatur als der andere vertikale Weg erwärmt wird, um eine Konvektionszirkulation hervorzurufen, wie es beispielsweise in PCT/US88/01044 oder US Anmeldung Nr. 43,369 beschrieben ist. Beispielsweise kann eine Heizeinrichtung 17 angeordnet werden, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, um den Weg zu heizen, der die Druckkammer 11 einschließt. Bei diesen in Fig. 1 gezeigten Tintenstrahlsystem mit geschlossener Schleife wird Tinte der Schleife durch einen Einlaß 18 zugeführt. Andere Mittel zum Erzeugen eines Druckunterschiedes für den Umlauf können verwendet werden, beispielsweise eine penstaltische Pumpe, eine Zahnradpumpe, die Schwerkraft, ein hydraulischer Stößel usw.
Fig. 2 stellt eine Abänderung der in Fig. 1 gezeigten Anordnung dar. In dieser Ausführungsform ist ein verengter Kanalabschnitt 20 nahe der Öffnung 12 gebildet, und der Weg der geschlossenen Schleife zwischen den Leitungsabschnitten 14 und 15 schließt den verengten Kanalabschnitt 20 und eine Druckkammer 21 mit einem akustischen Wandler 22 ein. Bei dieser Anordnung kann eine Konvektionszirkulation in dem Weg mit geschlossener Schleife aufrechterhalten werden, indem die Tinte in der Druckkammer 21 mittles der Heizeinrichtung 17 erwärmt wird, da der verengte Kanal 20 groß genug ist, einen angemessenen Tintenfluß sicherzustellen, um eine ausreichende Zirkulation zum Zweck der Entlüftung und Pigmentsuspension aufrechtzuerhalten.
Andererseits stellt der verengte Durchgang 20 eine hohe akustische Impedanz für Druckimpulse dar, die auf die Druckkammer 21 durch den akustischen Wandler 22 angewendet werden. Demgemäß wird ein positiver Druckimpuls, der auf die Druckkammer 21 angewendet wird, einen positiven, reflektierten Impuls an dem Ende der Kammer nahe dem verengten Durchgang 20 erzeugen, wodurch eine Verschlechterung des Druckimpulses vermieden wird, der von der Druckkammer 21 in Richtung zu der Öffnung 12 läuft.
Die durch den Wandler 22 in der Druckkammer 21 hervorgerufenen Druckimpulse laufen auch in die Richtung von der Öffnung 12 fort und können zerstreut oder in Richtung zu der Öffnung auf eine solche Weise zurückreflektiert werden, daß sie den positiven Druckimpuls stören, der auf die Öffnung angewendet wird. Des weiteren können solche Druckimpulse durch die Tintenzuführleitung zu anderen Tintenstrahlöffnungen übertragen werden, was einen Übersprechzustand ergibt.
Diese Probleme werden überwunden, indem eine Kammer mit niedriger akustischen Impedanz bereitgestellt wird, die einen Wandabschnitt mit großer Compliance zwischen der Druckkammer und der Tintenzuführleitung aufweist. Mit dieser Anordnung wird jeder positive Druckimpuls von der Druckkammer als ein negativer Drukkimpuls reflektiert und jeder negative Druckimpuls wird als ein positiver Druckimpuls reflektiert. Somit kann der Wandler 22 zuerst zurückgezogen werden, um einen negativen Druckimpuls zu erzeugen, und, wenn der reflektierte positive Impuls durch die Kammer in Richtung zu der Öffnung 12 läuft, wendet der Wandler einen positiven Druckimpuls an, um den reflektierten Impuls zu verstärken. Eine Anordnung, um dieses auszuführen, ist in der Ausführungsform dargestellt, die in Fig. 3 gezeigt ist. In diesem Fall schließt der Wegabschnitt der geschlossen Schleife zwischen dem Leitungsabschnitt 14 und der Druckkammer 21 eine Kammer 23 mit niedriger akustischer Impedanz ein, die mit einer Wand 24 gebildet ist, die eine hohe Compliance für akustische Druckimpulse aufweist. Die Wand 24 kann beispielsweise aus einem dünnen Metallblech bestehen, wie einer Schicht aus rostfreiem Stahl oder Berylliumkupfer, ungefähr 0,025 mm dick. Mit einer solchen Struktur hoher Compliance liefert die Kammer 23 eine niedrige, akustische Impedanz, so daß negative Druckimpulse, die von der Druckkammer 21 erhalten werden, durch die Druckkammer hindurch zurück als positive Impulse reflektiert werden. Des weiteren verhindert die Einfügung der Kammer mit niedriger akustischer Impedanz zwischen der Druckkammer und der Tintenzuführung die Übertragung von Druckimpulsen durch die Tintenzuführleitung, so daß sie nicht den Betrieb anderer Tintenstrahlen beeinträchtigen können, die mit der gleichen Tintenzuführleitung verbunden sind.
Eine Mehrfachanordnung, die vier Tintenstrahlen enthält und die strukturelle Anordnung beinhaltet und die oben erörterten Vorteile liefert, ist schematisch in den Fig. 4 und 5 dargestellt. In der in Fig. 4 gezeigten Draufsicht haben die vier Strahlen Öffnungen 31, 32, 33 und 34, die mit unterbrochener Kontur gezeigt sind, und entsprechende Druckkammern 35, 36, 37 und 38 und akustische Wandler 39, 40, 41 und 42, wobei die Druckkammern und die akustischen Wandler teilweise bei der Darstellung der Fig. 4 aufgebrochen sind, um das Zeigen der Struktur zu unterstützen. Unterhalb der Druckkammern, wenn man Fig. 4 betrachtet, sind Kammern 43, 44, 45 und 46 niedriger Impedanz, die durch entsprechende schmale Leitungsabschnitte 47, 48, 49 und 50 gekoppelt sind, wobei sie Durchgänge hoher Impedanz liefern, die durch eine abgewinkelte Verbindung zu den benachbarten Druckkammern 35, 36, 37 bzw. 38 führen.
Tinte wird den Tintenstrahlen durch eine Reihe von Zuführöffnungen 51, 52, 53 und 54 zugeführt, die, wie es in Fig. 5 gezeigt ist, in die entsprechende Kammer mit niedriger Impedanz führen, die wiederum mit der entsprechenden Druckkammer durch eine Öffnung 55, 56, 57 oder 58 in Verbindung steht, die die Druckkammer mit der Kammer niedriger akustischer Impedanz verbinden.
Wie es in der Längsschnittansicht der Fig. 5 gezeigt ist, hat jede der Kammern 44-48 mit niedriger Impedanz eine Wand 60 mit hoher Compliance, die durch eine dünne Schicht aus Metall, wie 0,025 mm dickem, rostfreiem Stahl, gebildet ist, so daß sie akustische Impulse zurück durch die Druckkammer hindurch in der obenbeschriebenen Weise reflektiert und sie daran hindert, zu der Zuführleitung und anderen Tintenstrahlen durch die Öffnungen 51-54 übertragen zu werden.
Ferner ist, wie es durch die Pfeile in Fig. 5 dargestellt ist, der Weg, auf dem Tinte jeder der Tintenstrahlöffnungen zugeführt wird, Teil eines fortlaufenden Strömungsweges von einem Ende des Tintenstrahlkopfes zu dem anderen Ende, so daß, wenn zu einem Weg mit geschlossener Schleife verbunden, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, eine fortlaufende Zirkulation der Tinte geschaffen werden kann. Dies kann durchgeführt werden, indem Wärme auf einen vertikalen Abschnitt des geschlossenen Schleifenweges durch eine Heizeinrichtung der in Fig. 1 gezeigten Art (in Fig. 4 und 5 nicht dargestellt) angewendet wird, um eine konvektive Zirkulation zu erzeugen und dadurch Tinte, die gelöste Luft enthält, von der Druckkammer zu einer Entlüftungseinrichtung zu transportieren, wie die Einrichtung 16, die in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben ist. Eine solche fortgesetzte Tintenzirkulation verhindert auch, daß sich Pigment in einer pigmentierten Heißschmelztinte absetzt oder zusammenballt.
Somit erstreckt sich, wie es in Fig. 5 gezeigt ist, der Strömungsweg für Tinte, die der Öffnung 34 zugeführt wird, die in einer Öffnungsplatte 61 gebildet ist, von der Öffnung 54 durch das benachbarte Ende der Kammer 45 mit niedriger akustischer Impedanz und der Öffnung 58 in die Druckkammer 38, an der Öffnung 34 vorbei in den verengten Durchgang 50 und dann durch die Kammer 46 mit niedriger akustischer Impedanz und die Öffnung 53, die mit dem benachbarten Tintenstrahl 33 verbunden ist. Der fortlaufende Strömungsweg für den Tintenstrahl 33 beginnt auch an der Öffnung 54 in Fig. 5 und setzt sich durch die Kammer 45 niedriger akustischer Impedanz und den verengten Kanal 49 fort und gelangt, nachdem sie sich nahe der Öffnung 33 (in Fig. 5 nicht sichtbar) bewegt hat, durch die Druckkammer 37 und die Öffnung 57 zu der Öffnung 53.
Mit dieser Anordnung können vollständige Strömungswege in der Form einer geschlossenen Schleife, um eine fortlaufende Zirkulation der Tinte beizubehalten, für zwei benachbarte Tintenstrahlöffnungen mizt einer Weite geschaffen werden, die ungefähr der entspricht, die für einen einzelnen Tintenstrahl verlangt wird, wodurch erlaubt wird, daß eine Mehrfachanordnung von Öffnungen mit sehr geringem Abstand angeordnet werden kann, während eine Ansammlung gelöster Luft oder das Absetzen von Pigment bei pigmentierter Tinte während der inaktiven Perioden vermieden wird, und auch positive, reflektierte Druckimpulse geschaffen werden, um die positiven Wandlerimpulse in der Druckkammer zu verstärken und ein Übersprechen zwischen Tintenstrahlen verhindert wird, die mit derselben Tintenzuführleitung verbunden sind. Ein Übersprechen kann ferner minimiert werden, indem die akustische Länge der Tintenzuführleitung, die mit der Zuführöffnung 54 verbunden ist, größer als die Tropfenausstoßzeit gemacht wird, und indem eine zweite Kammer mit niedriger akustischer Impedanz (nicht gezeigt) mit diesem Kanal verbunden wird.
Um einen wirksameren Tintenstrahlbetrieb zu schaffen, kann die dynamische Impedanz von jeder Tintenstrahlöffnung an die dynamische Impedanz der entsprechenden Druckkammer angepaßt werden. Diese Anpassung schließt irgendwelche Reflexion eines Druckimpulses an der Öffnung aus, was eine Zunahme bei der maximalen, asynchronen Betriebsfrequenz des Tintenstrahls erlaubt und auch die Wandlerenergie minimiert, die verlangt wird, einen Tintentropfen zu erzeugen, der eine bestimmte Geschwindigkeit aufweist. Zu diesem Zweck können die Abmessungen der Druckkammer und die Abmessungen der Öffnung so ausgewählt werden, daß die Impedanz der Druckkammer an die Impedanz der Öffnung angepaßt ist.
Das folgende Beispiel zeigt, wie eine solche Impedanzanpassung erhalten werden kann. Die Öffnungsimpedanz ist durch die folgende Beziehung bestimmt:
wo o die Dichte der Tinte ist, u die Geschwindigkeit der Tinte ist, die durch die Öffnung fließt, µ die Viskosität der Tinte ist l die Länge der Öffnung ist, a der Radius der Öffnung und A&sub0; die Querschnittsfläche der Öffnung ist.
Die Impedanz der Druckkammer wird durch die Beziehung dargestellt:
wo Ac die Querschnittsfläche der Druckkammer ist und c die Schallgeschwindigkeit in der Tinte ist.
In einem typischen Fall, wo die Tintenstrahlgeschwindigkeit 10 Meter pro Sekunde ist, der Radius der Öffnung 0,025 mm ist und die Länge der Öffnung 0,05 mm ist und die Dichte der Tinte ist 9,4 x 10&supmin;&sup7; kg sec²/cm&sup4; ist(es wird ein spezifisches Gewicht von 0,9 angenommen) und die Viskosität der Tinte 10 Centipoise ist oder 9,86 x 10&supmin;&sup8; kg sec/cm², ist die Impedanz der Druckkammer zu der Öffnungsimpedanz angepaßt, wenn der Querschnitt der Druckkammer 1 mm zu 0,25 mm ist (es wird angenommen, daß die Kammer steifist und das die Schallgeschwindigkeit 152400 cm pro Sekunde ist).
Natürlich kann, weil die Flüssigkeit in der Öffnung eine Trägheit, Compliance und einen nichtlinearen Widerstand besitzt, die Impedanz der Öffnung genau an die Impedanz der Druckkammer nur unter den Bedingungen einer stabilen Strömung angepaßt werden und kann nicht während Übergangszuständen angepaßt werden, die an der Vorder- und Rückflanke eines Druckimpulses auftreten. Bei den zweckmäßigsten Konstruktionen jedoch ist der Druckimpuls lang genug, daß eine stetige Strömung während eines beträchtlichen Bruchteils des Impulses stattfindet, und deshalb kann die Anpassung der Öffnungsimpedanz an die Impedanz der Druckkammer beträchtliche Vorteile liefern.
Fig. 6 stellt in Sprengdarstellung die Bauteile dar, die verwendet werden, eine Mehrfachanordnung mit 48 Strahlen zu schaffen, die verschiedene Merkmale der Erfindung, die hier beschrieben ist, in einem kompakten und wirksamen Tintenstrahlkopf verkörpert. In dieser Anordnung hat eine Öffnungsplatte 70 eine lineare Mehrfachanordnung von 48 Tintenstrahlöffnungen 71, die voneinander mit ungefähr 0,64 mm getrennt sind, so daß die gesamte Mehrf achanordnung nur ungefähr 3,2 cm lang ist. Jede Öffnung 71 hat einen Durchmesser von ungefähr 0,025 mm, und die Öffnungsplatte ist ungefähr 0,05 mm dick.
Um Seitenwände mit Compliance entsprechend den Wänden 60 der Fig. 5 für die Kammern mit niedriger akustischer Impedanz des Tintenstrahlströmungsweges zu bilden, wird eine dünne Membranplatte 72, die aus rostfreiem Stahl oder Berylliumkupfer ungefähr 0,025 mm dick hergestellt ist, vorgesehen, und eine Reihe von Öffnungen 73 in dieser Platte mit einem Durchmesser von ungefähr 0,25 mm wird zu den Öffnungen 71 in der Öffnungsplatte 70 ausgerichtet, um eine Verbindung zwischen den Öffnungen und den entsprechenden Druckkammern zu schaffen.
Oberhalb der Membranplatte ist eine Hohlraumplatte 74, die mit zwei Mehrfachanordnungen von Kammerhohlräumen 75 mit niedriger akustischer Impedanz gebildet ist, die auf entgegengesetzten Seiten der Mittellinie der Platten 74 angeordnet sind, wobei jede Mehrfachanordnung 24 Hohlräume enthält. Diese entsprechen den Kammern 43-46 mit niedriger akustischer Impedanz, die in Verbindung mit den Fig. 4 und 5 beschrieben worden sind. Die Anordnung der Platte 74 wird ausgewählt, daß sie die geeigneten Eigenschaften für die Kammer mit niedriger akustischer Impedanz liefert und kann beispielsweise aus einem Flächenteil aus einem relativ steifen Material bestehen, wie Berylliumkupfer, ungefähr 0,025 mm dick, wobei jeder der Hohlräume 75 ungefähr 1 mm breit und 1,3 cm lang ist. Ein Durchflußdurchgang 76, ungefähr 0,13 mm weit, erstreckt sich von dem inneren Ende von jedem der Hohlräume 75 zu einer mittleren Öffnung 77, mit einem Durchmesser von ungefähr 0,25 mm, die zu der entsprechenden Öffnung 73 in der Platte 72 ausgerichtet ist, um eine Verbindung zwischen der entsprechenden Druckkammer und der Tintenstrahlöffnung zu schaffen.
Eine Versteifungsplatte 78, die aus rostfreiem Stahl oder Berylliumkupfer ungefähr 0,25 mm dick hergestellt ist, weist eine mittlere Reihe von 0,25 mm Öffnungen 79 auf, die Verbindungsdurchgänge zu den Tintenstrahlöffnungen 71 liefern, und ist mit zwei Mehrfachanordnungen von U-förmigen Durchgängen 80 gebildet, die Tintenzuführdurchgänge zu benachbarten Paaren von Kammern 75 niedriger akustischer Impedanz auf jeder Seite der Platte liefern. Die Durchgänge 80 stehen auch mit entsprechenden Paaren von Druckkammern in Verbindung.
Oberhalb der Versteifungsplatte 78 ist eine Druckkammerplatte 81, die mit zwei Reihen von Tintenzuführöffnungen 82 ungefähr 0,75 mm im Durchmesser, gebildet ist, von denen jede angeordnet ist, daß sie mit dem Ende von einem der U-förmigen Hohlräume 80 in der Platte 78 in Verbindung steht. Ferner enthält die Platte 81 zwei Mehrfachanordnungen von 24 Druckkammerhohlräumen 83, die Druckkammern schaffen, die den Druckkammern 35-38 der Fig. 4 und 5 entsprechen und von denen jede zwischen einem Arm eines U- förmigen Hohlraums 80 und einer Öffnung 79 in der Platte 78 in Verbindung steht. Die Platte 81 kann beispielsweise eine Platte ungefähr 0,075 mm dick aus rostfreiem Stahl oder Berylliumkupfer sein, und jeder Hohlraum 83 kann ungefähr 1 mm weit und 9,5 mm lang sein, wobei das innere Ende des Hohlraums unmittelbar über der entsprechenden Tintenstrahlöffnung 71 ist und mit den Öffnungen 73, 77 und 79 in den Platten 72, 74 und 78 in Verbindung steht.
Oberhalb der Platte 81 ist eine Wandlerplatte 84, die aus piezoelektrischem Material hergestellt ist, und auf einer Seite ein Muster hat, das mit Silber oder anderem leitenden Material beschichtet ist, um Mehrfachanordnungen von Anschlüssen 85 und leitenden Streifen 86 zu schaffen. Die leitenden Abschnitte sind so angeordnet, daß bei geeigneter Erregung der ausgewählten Anschlüsse 85 ein Bereich der piezoelektrischen Lamelle 84 nahe einem ausgewählten Druckhohlraum 83 im Schermodus aktiviert wird, wie es in dem Patent Nr. 4,584,590 beschrieben ist, um einen Druckimpuls in der Tinte zu erzeugen, die in der entsprechenden Druckkammer 83 enthalten ist. Die leitenden Streifen, mit denen die piezoelektrische Lamelle 84 beschichtet ist, sind mit einer Isolierschicht überdeckt, und eine Rückplatte 87, deren nahe Oberfläche mit Vertiefungen (in Fig. 6 nicht sichtbar) entsprechend den Hohlräumen 83 in der Platte 81 gebildet ist, ist über der piezoelektrischen Platte angeordnet, um eine Stütze zu bilden.
Ferner sind zwei Tintenverteilungsplatten 88 oberhalb der Tintenzuführöffnungen 82 auf den entgegengesetzten Seiten der Platte 81 angebracht, um Tinte zu den Öffnungen 82 zu lenken. In der dargestellten Ausführungsform hat jede Zuführplatte 88 zwei Öffnungen 89, von denen jede mit einer Leitung (in Fig. 6 nicht sichtbar) ir der unteren Oberfläche der Platte 88 in Verbindung steht, wodurch eine Verbindung mit sechs Öffnungen 82 in der Platte 81 geschaffen wird. Da jede Öffnung 82 mit einer entsprechenden Öffnung auf der entgegengesetzten Seite der Platte 81 mittels der Hohlräume 75, der Durchflußdurchgänge 76 und der Druckkammern 83 in Verbindung steht, muß Tinte der gleichen Farbe in jedem benachbarten Paar von Tintenstrahlen verwendet werden, die mit Tinte von entgegengesetzten Seiten der Platte 81 versorgt wird.
In der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform könnten nur zwei unterschiedliche Farben an Tinte in der Tintenstrahlmehrfachanordnung mit 48 Strahlen verwendet werden, weil nur zwei Tintenzuführöffnungen 89 auf jeder Seite der Platte vorgesehen sind. Andererseits könnten, wenn die U-förmigen Kanäle 80 in der Platte 78 durch einen getrennten Kanal für jeden der Druckkammerhohlräume 83 und die entsprechenden Kammern 75 niedriger akustischer Impedanz ersetzt wären und entsprechende Öffnungen in den Platten 81 und 88 vorgesehen wären, Tinten unterschiedlicher Farbe jedem benachbarten Paar von Strahlöffnungen zugeführt werden, wenn es erwünscht ist.
Wenn in der durch die unterbrochenen Linien in Fig. 6 angegebenen Weise zusammengebaut wird, wird die Mehrfachanordnung mit 48 Strahlen in der gleichen Weise angeordnet und betrieben, wie es in bezug auf die Fig. 4 und 5 beschrieben worden ist, wobei durchgehende Durchflußdurchgänge geschaffen werden, die von den Tintenzuführöffnungen 89, 82 und den Kanälen 80, den Druckkammern 83 und den Öffnungen 79 und 77, die mit den Öffnungen 71 in Verbindung stehen, denen die Durchflußdurchgänge 76 folgen, und der Kammer 75 niedriger akustischer Impedanz und den Zuführkanälen 80 und den Öffnungen 82 und 88 auf der entgegengesetzten Seite der Mehrfachanordnung gebildet sind.
Diese Art Struktur läßt sich einfach herstellen, indem gestanzte oder chemisch geätzte Metallteile und ein piezoelektrischer Wandler verwendet werden, der durch Photolithographie, Siebdruck, Abtragen oder ähnliches mit einem Muster versehen ist. Die Metallteile können dann mit einem Füllmaterial, wie Lot, Gold oder Nickellegierung galvanisch gefüllt und mit einem einzigen Schritt gelötet oder hartgelötet werden, um den endgültigen Zusammenbau abzuschließen. Wenn der Löt- oder Hartlötvorgang bei weniger als ungefähr 250ºC gemacht wird, wird der piezoelektrische Wandler nicht entpolarisiert.

Claims

1. Eine Tintenstrahlmehrfachanordnung, umfassend eine Mehrzahl von Tintenstrahlöffnungen (12, 31-34, 71), durch die Tinte selektiv durch Druckimpulse ausgestoßen wird, eine Mehrzahl von Druckkammern (11, 21, 35-38, 83), wobei eine mit jeder der Tintenstrahlöffnungen in Verbindung steht, eine entsprechende Mehrzahl von Wandlern (10, 22, 39-42, 84), um der Tinte in den entsprechenden Druckkammern Druckimpulse zu verleihen, eine entsprechende Mehrzahl von Einlässen (18, 51-54, 82, 89) zum Zuführen von Tinte zu jeder der Druckkammern, und eine entsprechende Mehrzahl von Durchflußdurchgängen (47-50, 76), die eine Verbindung zwischen dem Bereich einer Druckkammer nahe der entsprechenden Öffnung und der Tintenzuführeinrichtung (18, 51-54, 82, 89) liefern, die mit der Druckkammer für die benachbarte Tintenstrahlöffnung in Verbindung ist.

2. Eine Tintenstrahlmehrfachanordnung gemäß Anspruch 1, worin die Druckkammern (11, 21, 35-38, 83), die mit benachbarten Tintenstrahlöffnungen (12, 31-34, 37) in Verbindung stehen, auf entgegengesetzten Seiten einer Linie angeordnet sind, die die Öffnungen verbindet.

3. Eine Tintenstrahlmehrfachanordnung gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Tintenstrahlöffnungen (12, 31-34, 71) ausgerichtet sind, die Druckkammern (11, 21, 35-38, 83) länglich sind und jede eine Mittelachse hat, wobei sich die Mittelachsen der Druckkammern auf einer Seite der Linie, die die Öffnungen verbindet, zwischen den Mittelachsen der Druckkammern auf der anderen Seite der Linie fortsetzt.

4. Eine Tintenstrahlmehrfachanordnung gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, die eine Mehrzahl von Kammern (23, 43- 46, 75) niedriger akustischer Impedanz einschließt, von denen jede mit einer entsprechenden Druckkammer (11, 21, 35-38, 83) an einer Stelle in Verbindung ist, die von der entsprechenden Tintenstrahlöffnung (12, 31-34, 37) beabstandet ist.

5. Eine Tintenstrahlmehrfachanordnung gemäß Anspruch 4, worin die Kammern (23, 43-46, 75) niedriger akustischer Impedanz angeordnet sind, um zu verhindern, daß Druckimpulse von den Druckkammern (11, 21, 35-38, 83) zu der Tintenzuführeinrichtung übertragen werden.

6. Eine Tintenstrahlmehrfachanordnung gemäß Anspruch 5, worin die Druckkammern (11, 21, 35-38, 83) und die Kammern (23, 43- 46, 75) niedriger akustischer Impedanz so angeordnet sind, daß negative Druckimpulse, die in den Druckkammern erzeugt werden, durch die Kammern niedriger akustischer Impedanz als positive Druckimpulse reflektiert werden, so daß nachfolgende positive Druckimpulse verstärkt werden, die in den Druckkammern erzeugt werden.

7. Eine Tintenstrahlmehrfachanordnung gemäß Anspruch 3 oder Anspruch 4, worin jede Kammer (23, 43-46, 75) niedriger akustischer Impedanz eine Wand (24, 60, 72) hoher Compliance einschließt, die für akustische Impulse in der Kammer eine niedrige Impedanz schafft.

8. Eine Tintenstrahlmehrfachanordnung gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Durchflußdurchgänge (47-50, 76) einen Tintendurchgang hoher Impedanz einschließen, der sich zwischen der Druckkammer (11, 21, 35-38, 83) von einem Tintenstrahl und der Kammer (23, 43-46, 75) niedriger akustischer Impedanz eines benachbarten Tintenstrahls erstreckt.

9. Eine Tintenstrahlmehrfachanordnung gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, der eine Tintenumlaufeinrichtung (17) einschließt, um eine Zirkulation der Tinte von der Tintenzuführeinrichtung (18, 51-54, 82, 89) und den Druckkammern (11, 21, 35-38, 83) für eine der Öffnungen (12, 31-34, 71) und den Durchflußdurchgängen (47-50, 76) zu der Tintenzuführeinrichtung für die Druckkammer zu bewirken, die zu der anderen Öffnung führt.