DE60003212T2

DE60003212T2 - Druckkopf

Info

Publication number: DE60003212T2
Application number: DE60003212T
Authority: DE
Inventors: John Atkin; Richard Mace; Charles Newcombe; William Teape
Original assignee: Tonejet Corp Pty Ltd
Current assignee: Tonejet Ltd
Priority date: 1999-10-25
Filing date: 2000-10-25
Publication date: 2003-12-11
Anticipated expiration: 2020-10-26
Also published as: JP2003512210A; DE60003212D1; EP1095772A1; CN1155473C; JP4780886B2; US6905188B1; AU762103B2; EP1224079A1; KR100753197B1; CN1382086A; AU7936600A; KR20020067034A; WO2001030576A1; EP1224079B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gerät zum Ausstoßen von Material aus einer Flüssigkeit, und spezieller auf ein Gerät, in welchem das verwendete Verfahren im allgemeinen vom selben Typ ist, wie er in der WO-A-93-11866 beschrieben ist, deren Offenbarung hier durch Bezugnahme beinhaltet ist. In der obigen Patentschrift wird eine Anhäufung oder Konzentration von Partikeln in dem Druckkopf erreicht, und aus dem Ausstoßort wird die Anhäufung von Partikeln dann auf ein Substrat, beispielsweise zu Zwecken des Druckens, ausgestoßen.
Im Fahle eines Matrix-Druckers können mehrere Elemente, welche jeweils einen Ausstoßort enthalten, in einer oder mehreren Reihen angeordnet sein. Die vorliegende Erfindung ist auf neue Konstruktionen eines derartigen Gerätes gerichtet, zur Verbesserung des Betriebs und zur Erhöhung der Betriebsfähigkeit, und diesbezüglich wird Bezug genommen auf unsere vorherigen Anmeldungen WO-A-97-27058, WO-A-97-27056, WO-A-97-27057 und WO-A-98-32609.
In diesen vorbekannten Patentschriften gibt es eine Offenbarung eines Matrix-Druckers, bei welchem mehrere aneinander angrenzende Elemente bzw. Zellen zwischen einer Reihe separierender Stege ausgebildet sind. Innerhalb jedes Elementes wird von einem weiteren Steg ein Ausstoßort gehalten, welcher als Ausstoßstelle für das Material vorgesehen ist. Wie beispielsweise in Fig. 2 der WO-A-98- 32609 gezeigt, erstrecken sich Seitenabdeckungen über den Oberseiten von jedem der Elemente, um die Oberseiten zu schließen. Hinter den Seitenabdeckungen wird Flüssigkeit, welche dem Druckkopf zugeführt wird, in einer Form von Reservoir oder Verteiler gehalten und fließt in die einzelnen Elemente, welche an der Ausstoßstelle angrenzen, in Abhängigkeit des Ausstoßvolumens von einer bestimmten Auswurfstelle/einem bestimmten Ausstoßelement.
Der Ausstoßmechanismus von Druckern dieses Typs, der zumindest teilweise elektrostatisch ist, und daher teilweise beruht auf der Abstoßung der Partikel von der Ausstoßstelle, kann zu einer Tendenz führen, daß Pigmentpartikel (beispielsweise in einer pigmentierten Tinte) von einem Element, von welchem aus ein Ausstoß auftritt, wegfließen, hin zu einem angrenzenden Element, von welchem aus ein Ausstoß nicht auftritt, und zwar aufgrund des Mechanismus der Elektrophorese. Eine weitere Schwierigkeit liegt darin, daß die aufgeladenen Partikel in dem elektrischen Feld dazu tendieren, auf Oberflächen der Elektroden aufzutreffen, aufgrund der Elektrophorese. Obwohl die Scherkräfte, welche durch einen Fluß durch solche Kanäle erzeugt werden, zum Entfernen von Partikeln von den Oberflächen wirken können, muß die Scherkraft größer als die elektrophoretische Kraft sein, und die geladenen Partikel müssen aus dem elektrischen Feld herausbewegt werden, bevor andere Partikel auf sie auftreffen. Um Druckleistungen und eine langandauernde Zuverlässigkeit des Druckkopfes zu verbessern, würde es wünschenswert sein, die ungewünschten Wirkungen vom elektrophoretischen Partikelfluß in den Kanälen zu reduzieren oder zu eliminieren. Um die Wirkungen der elektrophoretischen Kraft zu minimieren, wird eine Lösung in der US 5,754,199 vorgeschlagen, bei welcher die Elektroden, welche der Ausstoßelektrode angrenzen, zunächst hochbewegt werden, um zusätzliche Tintenpartikel mittels Elektrophorese in Richtung der Ausstoßelektrode zu zwingen. Das Ziel dessen ist es, den Umstand auszugleichen, daß beim Anlegen eines Antriebssignals an die Ausstoßelektrode, Tintenpartikel von der aktiven Elektrode abwandern werden.
Diese vorgeschlagene Annäherung wird die Druckgeschwindigkeit begrenzen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Ausstoßgerät zum Ausstoßen eines Materials aus einer Flüssigkeit an mehreren Ausstoßstellen vorgestellt, wobei das Gerät einen Druckkopf umfaßt, welcher enthält: mehrere Kanäle, durch die jeweils im Betrieb Flüssigkeit fließt, zu oder von einer jeweiligen Ausstoßstelle an einem offenen Ende des Kanals, wobei jeder Kanal einer aus zwei zusammenwirkenden Kanälen ist, von denen einer Flüssigkeit an eine jeweilige Ausstoßstelle zuführt, und der andere abgereicherte (depleted) Flüssigkeit von derselben Ausstoßstelle entfernt, so daß die Kanäle somit ein gemeinsames offenes Ende haben; eine Ausstoßelektrode, welche an jeder Ausstoßstelle angeordnet ist, und welche im Betrieb mittels Erzeugung eines elektrischen Feldes den Ausstoß von Material aus der Flüssigkeit bewirkt, und einen elektrisch leitfähigen Pfad zu jeder Ausstoßelektrode, um im Betrieb eine Spannung an die Ausstoßelektrode anzulegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle voneinander isoliert und von den elektrisch leitfähigen Pfaden separiert sind, im wesentlichen über der gesamten Länge der elektrisch leitfähigen Pfade.
Bei der in der WO 97/27058 offenbarten Ausgestaltung eines Druckkopfes, können die Tintenkanäle miteinander über einen Großteil ihrer Länge kommunizieren. Ebenfalls kommunizieren gemäß dieser Ausgestaltung die Elektroden mit der Tinte über den gesamten Tintenpfad in dem Kanal. Aufgrund dieses Aufbaus, wirkt eine elektrophoretische Kraft auf die Tintenpartikel, welches sie in Richtung der Elektroden antreibt. Wenn eine ausreichend hohe Flüssigkeitsflußrate verwendet werden kann, würde die Scherkraft ausreichend hoch genug sein, um zu verhindern, daß Partikel damit beginnen, sich auf dem Elektrodenaufbau aufzubauen. Jedoch würde es nicht praktisch sein, eine solch hohe Flußräte zu verwenden. Die vorliegende Erfindung stellt eine bessere Lösung dar, indem sie sicherstellt, daß die Kanäle voneinander isoliert sind; und die elektrisch leitfähigen Pfade von den Kanälen separiert sind, im wesentlichen über die gesamte Länge der Kanäle. Dadurch wird die elektrophoretische Kraft reduziert, und daher wird eine niedrigere Scherkraft benötigt, um zu verhindern, daß sich Partikel auf den Elektroden aufbauen. Da eine niedrigere Scherkraft benötigt wird, kann die Flußgeschwindigkeit reduziert werden. Die vorliegende Erfindung löst ebenfalls die Aufgabe der US 5,754,199, ohne komplexe Antriebssignale zu benötigen, welche, wie zuvor erläutert, die Druckgeschwindigkeit begrenzen werden.
Durch diesen Aufbau können die elektrisch leitfähigen Pfade von den Kanälen isoliert werden, mit Ausnahme in der unmittelbaren Nähe der Ausstoßstellen, wobei die Isolation dazu dient, elektrophoretische Wirkungen zu reduzieren oder zu verhindern, welche einen Aufbau von Partikeln auf den Kanalwänden verursachen, welches anderenfalls so wirken würde, daß es den Materialfluß zu den Ausstoßstellen reduzieren würde.
Jeder Kanal ist vorzugsweise einer aus einem Paar von zusammenwirkenden Kanälen, von denen einer Flüssigkeit an eine jeweilige Ausstoßstelle zuführt, und der andere abgereicherte Flüssigkeit von derselben Ausstoßstelle entfernt, wobei die Kanäle von jedem Paar somit ein gemeinsames offenes Ende haben. Die Kanäle von jedem Paar können Längsachsen haben, welche unter einem Winkel zueinander angeordnet sind, so daß Flüssigkeit an die Ausstoßstelle gebracht und von dieser seitlich entfernt wird. Die elektrisch leitfähigen Pfade werden im wesentlichen entlang einer zentralen Achse vorgesehen, wobei sie die Achsen der Kanäle halbieren. Die Kanäle können entlang der Kanten eines Paares aus prismatischen Körpern ausgebildet werden, welche von einer Komponente separiert sind, welches die Ausstoßstellen ausbildet.
Vorzugsweise sind die einzelnen Kanäle voneinander durch mehrere Wände separiert, und eine Isolation der einzelnen Kanäle wird erreicht, indem die Oberseiten der Kanäle über einen Großteil ihrer Länge geschlossen sind, vorzugsweise mittels eines Paares von Seitenabdeckungen, von denen jede all den Kanälen auf einer jeweiligen Seite gemein ist, und welche mit den Wänden in Eingriff steht.
An dem offenen Ende der Kanäle separieren Stege die Ausstoßstellen voneinander. Vorsprünge bilden vorzugsweise die Ausstoßstellen aus, und sind ebenfalls bestimmt durch Stege zwischen den Stegen, welche einzelne Ausstoßstellen voneinander separieren; die Vorsprünge der Stege, welche die Ausstoßstelle bestimmen, haben eine geringere Breite und bestimmen an jeder ihrer Seiten Durchgänge zum Flüssigkeitsfluß zwischen den Stegen, welche die Ausstoßstelle separieren. Um die Stege, welche die Ausstoßstelle bestimmen, von den Stegen, welche die Ausstoßstelle separieren, zu separieren, können Beabstander an den Seiten der Stege, welche die Ausstoßstelle bestimmen, vorgesehen werden, zumindest über einen Großteil ihrer Länge, die Separatoren sind einstückig mit den Stegen, welche den Vorsprung bestimmen, den Stegen, welche den Kanal separieren, oder mit beiden ausgebildet, wobei die Stege und Separatoren vorzugsweise aus einer Komponente ausgebildet sind, welche sich zwischen den prismatischen Körpern befindet, in welchen die Kanäle ausgebildet sind.
Durch diesen Aufbau kann jeder Kanal eine erhöhte Länge haben, im Vergleich zu den vorbekannten Ausgestaltungen, welche zuvor erwähnt wurden, und indem Seitenabdeckungen vorgesehen sind, welche die einzelnen Kanäle schließen, wird eine Fluidseparation zwischen ihnen bereitgestellt.
Vorzugsweise sind die Separatoren metallisiert, um die elektrischen Leitungspfade zu den Ausstoßelektroden bereitzustellen.
Vorzugsweise ist jeder elektrisch leitfähige Pfad derart angeordnet, daß er im Gebrauch im wesentlichen über seine gesamte Länge nicht mit der Flüssigkeit in Kontakt ist. Jeder elektrisch leitfähige Pfad kann derart angeordnet sein, daß er im Gebrauch mit der Flüssigkeit nur in dem Bereich der entsprechenden Ausstoßstelle in Kontakt ist.
Ein Beispiel eines Gerätes gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht von der Vorderseite und einer Seite eines Teils eines Tintenstrahldruckkopfes ist;
Fig. 2 wieder eine perspektivische Ansicht von der Vorderseite in Vergrößerung ist;
Fig. 3 ein Längsschnitt durch den Druckkopf ist;
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht des Druckkopfes ist, welche Haltekörper zeigt, welche an jeder Seite angebracht sind; und
Fig. 5 eine weitere perspektivische Ansicht ist, welche Seitenabdeckungen zeigt, die an jedem der Haltekörper angebracht sind.
Fig. 1 und 2 stellen den Aufbau der einzelnen Elemente 2 eines Druckkopfes 1 dar, wobei die einzelnen Elemente 2 durch separierende Stege 3 separiert sind, und jedes Element eine durch einen Vorsprung 4 bestimmte Ausstoßstelle enthält, der am Ende eines entsprechenden Steges 5 ausgebildet ist, welcher im wesentlichen zentral auf jeder Seite zwischen den Stegen 3, welche das Element bestimmen, oder den Stegen 3, welche die Ausstoßstelle/das Element separieren angeordnet ist.
Ausstoßelektroden 7 sind ausgebildet durch wahlweises Metallisieren bzw. Metallbeschichten von Oberflächen der Elemente separierenden und Vorsprung ausbildenden Stege 3, 5. Jeder der Stege 5, die den Vorsprung halten, ist separiert von den angrenzenden Stegen, die das Element separieren, durch einen Beabstander 6 (in jedem Element 2 kann in Fig. 1 und 2 nur einer von ihnen gesehen werden, aufgrund der Perspektive), wobei die Oberfläche von jedem Beabstander ebenso metallisiert sein kann, um einen elektrisch leitfähigen Pfad oder Weg 12 zu den jeweiligen Ausstoßelektroden 7 von der Rückseite des Druckkopfes vorzusehen (am besten zu sehen in Fig. 3).
Wie in Fig. 1 und 2 deutlich zu erkennen, sind die Stege 5 an der Vorderseite von jedem Element mit einem spitzen Winkel zugespitzt und halten den Ausstoßstellen-Vorsprung 4 an ihren vorderen Kanten, wobei die Stege 3, welche das Element separieren, wie gezeigt unter einem größeren Winkel zugespitzt sind.
Wie in Fig. 4 am besten zu erkennen, sind Flüssigkeitszuführ- und Entsorgungskanäle 11, welche jeweils den Elementen 2 Flüssigkeit zuführen und von ihnen entsorgen, und welche teilweise die Elemente 2 bestimmen, zwischen Wänden 8 vorgesehen, einstückig miteinander auf einem Haltekörper 9 ausgebildet, welcher, von der Seite des Druckkopfes aus betrachtet, im allgemeinen eine dreieckförmige Form hat. Die Wände 8 sind passgenau mit den Stegen 5, welche das Element separieren, angeordnet, um die Kanäle 11 über ihre gesamte Länge zu begrenzen. Fig. 5 stellt Seitenabdeckungen 10 dar, welche die Kanäle 11 abdecken, welche zwischen den Wänden 8 ausgebildet sind.
Die genaue Form der Vorsprünge 4, welche die Ausstoßstellen bestimmen, wird abhängen von der Anwendung, der beabsichtigten Flüssigkeit, mit welcher der Druckkopf arbeiten soll, seinen Betriebsbedingungen, usw. Bei dem gezeigten Beispiel haben die Vorsprünge 4 einfache dreieckige Formen oder vorstehende Bereiche, welche an der Vorderkante der Stege 5 ausgebildet sind, jedoch mit geringerer Dicke. Bei dem gezeigten Beispiel sind die Stege 3, 5, hervorstehenden Bereiche 4, Beabstander 6, Wände 8 und Seitenabdeckungen 10 aus einem keramischen Material ausgebildet.
Es wird offensichtlich sein, daß dadurch, daß die elektrisch leitfähigen Wege oder Pfade 12 entlang des Zentrums des Druckkopfes (siehe Fig. 3), von den Flußkanälen 11 gut separiert vorgesehen sind, die Kanäle im wesentlichen über ihre gesamte Länge von den elektrisch leitfähigen Pfaden 12 separiert sind, wobei die elektrisch leitfähigen Pfade und die Kanäle nur an den Ausstoßstellen miteinander in Kontakt sind, d. h., wo die elektrisch leitfähigen Pfade die Elektroden 7 bereitstellen.
Bei einem Druckkopf, dessen Kanäle 100 um breit sind, und mit einer Länge von 10 mm an jeder Seite des Ausstoßelektrodenbereichs, beträgt die Tintenflußrate typischerweise 0,01 ms&supmin;¹ im Zentrum der Kanäle. Mit Ausstoßspannungsimpulsen im Bereich von 1000 Volt, wird, wenn ein Kanal durchschnittlich viel öfter angetrieben wird als sein Nachbar, ein typisches elektrophoretisches elektrisches Feld von 5 · 10&sup4; Vm&supmin;¹ in der Tinte zwischen den Ausstoßelektroden erzeugt. Ein typischer Wert der elektrophoretischen Kraft auf die Partikel wird 10&supmin;¹³ N betragen, und die daraus resultierenden elektrophoretischen Geschwindigkeiten betragen ungefähr 10&supmin;&sup5; ms&supmin;¹. Der Tintenfluß durch die Kanäle wird auf die Partikel eine Scherkraft von 5 · 10&supmin;¹³ N erzeugen. Da diese beträchtlich größer ist als die elektrophoretische Kraft, wird jeder Partikel, welcher auf die Wände eines Kanals gedrückt wird, durch den Fluß entlang des Kanals hinweggefegt werden. Dies führt dazu, daß Partikel, welche der Kanalwand am nächsten sind, die ersten 20 um jeder Elektrode in ungefähr 0,1 sec passieren. Das Bedeutende daran ist, daß aufgrund der elektrostatischen Abschirmung innerhalb der ersten 20 um es so sein wird, daß eine Partikelablagerung auf der Elektrode andererseits dazu neigt aufzutreten, aufgrund dessen, daß Partikel in diesem Bereich auf die Elektrode gedrückt werden, bei einer Rate von ungefähr einer Schicht alle 2 sec. Die Tatsache, daß die Partikel, welche der Kanalwand am nächsten sind, die ersten 20 um der Elektrode hinweggefegt werden, bevor eine andere Partikelschicht sich darauf ablagert, beseitigt eine solche Partikelablagerung.

Claims

1. Ausstoßgerät zum Ausstoßen von Material aus einer Flüssigkeit an mehreren Ausstoßstellen, wobei das Gerät einen Druckkopf umfaßt mit:

mehreren Kanälen, durch die jeweils im Betrieb Flüssigkeit zu oder von einer jeweiligen Ausstoßstelle an einem offenen Ende des Kanals fließt, wobei jeder Kanal einer aus zwei zusammenwirkenden Kanälen ist, von denen einer Flüssigkeit an eine jeweilige Ausstoßstelle zuführt, und der andere abgereicherte Flüssigkeit von derselben Ausstoßstelle entfernt, so daß die Kanäle ein gemeinsames offenes Ende haben,

einer Ausstoßelektrode, welche an jeder Ausstoßstelle angeordnet ist und im Betrieb mittels Erzeugung eines elektrischen Feldes den Ausstoß von Material aus der Flüssigkeit bewirkt, und

einem elektrisch leitfähigen Pfad zu jeder Ausstoßelektrode, um im Betrieb eine Spannung an die Ausstoßelektrode anzulegen,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Kanäle voneinander isoliert und von den elektrisch leitfähigen Pfaden separiert sind, im wesentlichen über der gesamten Länge der elektrisch leitfähigen Pfade.

2. Gerät nach Anspruch 1, bei welchem die Kanäle Längsachsen haben, welche mit einem Winkel zueinander angeordnet sind, so daß Flüssigkeit an die Ausstoßstelle gebracht und davon seitlich entfernt wird, wobei die elektrisch leitfähigen Pfade im wesentlichen entlang einer zentralen Achse vorgesehen sind, welche die Achsen der Kanäle halbiert.

3. Gerät nach Anspruch 2, bei welchem die Kanäle entlang der Kanten eines Paares von prismatischen Körpern ausgebildet sind, welche von einer Komponente separiert sind, welche die Ausstoßstellen ausbildet.

4. Gerät nach Anspruch 1, bei welchem die einzelnen Kanäle voneinander separiert sind durch mehrere Wände, und eine Isolation der einzelnen Kanäle erreicht wird, indem die Oberseiten der Kanäle über einen Großteil ihrer Länge geschlossen sind.

5. Gerät nach Anspruch 4, bei welchem die einzelnen Kanäle über einen Großteil ihrer Länge geschlossen sind, mittels eines Paares von Seitenabdeckungen, von denen jede mit allen Kanälen an einer entsprechenden Seite gemein ist, und welche mit den Wänden in Eingriff steht.

6. Gerät nach Anspruch 4 oder 5, bei welchem die Ausstoßstellen an dem offenen Ende der Kanäle durch Stege voneinander separiert sind.

7. Gerät nach Anspruch 6, bei welchem Vorsprünge ebenfalls durch Stege zwischen den Stegen, welche einzelne Ausstoßstellen voneinander separieren, bestimmt sind, wobei die Vorsprünge der Stege, welche die Ausstoßstelle bestimmen, in der Breite kleiner sind, und an jeder ihrer Seiten Durchgänge bestimmen, zum Flüssigkeitsfluß zwischen den Stegen, welche die Ausstoßstelle separieren.

8. Gerät nach Anspruch 7, bei welchem zum Separieren der Stege, welche die Ausstoßstelle bestimmen, von den Stegen, welche die Ausstoßstelle separieren, Beabstander an den Seiten der Stege, welche die Ausstoßstelle bestimmen, vorgesehen sind, zumindest über einen Großteil ihrer Länge, wobei die Separatoren einstückig ausgebildet sind mit den Stegen, welche den Vorsprung bestimmen, den Stegen, welche den Kanal separieren, oder beiden.

9. Gerät nach Anspruch 7, bei welchem die Stege und Separatoren durch eine Komponente ausgebildet sind, welche sich zwischen prismatischen Körpern befindet, in welchen die Kanäle ausgebildet sind.

10. Gerät nach Anspruch 9, bei welchem die Separatoren metallisiert sind, um die elektrisch leitfähigen Pfade zu den Ausstoßelektroden vorzusehen.

11. Ausstoßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei welchem jeder elektrisch leitfähige Pfad derart angeordnet ist, daß er im Gebrauch im wesentlichen über seine gesamte Länge nicht mit der Flüssigkeit in Kontakt steht.

12. Ausstoßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei welchem jeder elektrisch leitfähige Pfad derart angeordnet ist, daß er im Gebrauch mit der Flüssigkeit nur an dem Bereich der entsprechenden Ausstoßstelle in Kontakt ist.