EP0372097A1 - Arrangement for producing varying size ink droplets in an ink jet printer - Google Patents
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- EP0372097A1 EP0372097A1 EP88120007A EP88120007A EP0372097A1 EP 0372097 A1 EP0372097 A1 EP 0372097A1 EP 88120007 A EP88120007 A EP 88120007A EP 88120007 A EP88120007 A EP 88120007A EP 0372097 A1 EP0372097 A1 EP 0372097A1
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- B41J2202/01—Embodiments of or processes related to ink-jet heads
- B41J2202/11—Embodiments of or processes related to ink-jet heads characterised by specific geometrical characteristics
Definitions
- the invention relates to an arrangement for producing ink droplets of different sizes in an ink printing device according to the preamble of patent claim 1.
- Known ink print heads that work on the principle of thermal conversion (bubble jet) have a matrix of individual nozzles from which defined individual droplets are ejected under the action of an electronic control. Each nozzle is connected to an ink channel, in which pressure waves are generated in the ink liquid by means of an actuator. The process of building pressure in the ink liquid is based on the creation of small microbubbles.
- An electrothermal transducer element in the form of a thin-film resistor is located under each ink channel at a certain distance from the outlet nozzle as an actuator. By briefly energizing one of these transducer elements, the ink liquid immediately above is heated in a thin layer to high excess temperatures.
- a vapor bubble with high internal pressure is formed above the heating element, the expansion of which causes the ink liquid located in the corresponding ink channel to be expelled through the nozzle.
- fluid mechanical influences which are given by the channel and nozzle geometry, there is also a proportionality between the ink droplet volume and the surface of the heating element, which also determines the size of the corresponding vapor bubble.
- ink printing devices are to be used to produce fonts of different font qualities, for example fonts in a so-called draft quality (DQ) and in a so-called beautiful font (Near Letter Quality, NLQ), it is advantageous to add ink droplets of different sizes and thus different droplet volumes produce.
- such ink printing devices are used as output devices for graphics, which requires that gray or color levels must be able to be represented.
- the generation of ink droplets of different sizes in color printing makes it possible to avoid oversaturation of the printing paper with solvents.
- EP-A1-0203534 To produce ink droplets of different sizes, it is known from EP-A1-0203534 to control them with an adjustable number of control pulses in an ink writing device with piezoelectric transducer elements which are each assigned to the ink channels of the writing head.
- the repetition frequency of the drive pulses is matched to the resonance frequency of the ink channel and the drive pulses follow one another in time in such a way that an ejection of a small amount of ink from the outlet opening of the ink channel caused by subsequent drive pulses always occurs before the ink droplet caused by the first drive pulse is detached from the outlet opening occurs.
- WO 87/03363 describes an ink printing device based on the thermal converter principle, with which eight different shades of gray or semitones can be produced.
- three droplet generators are provided which, due to the different area of the thermal transducers, eject different droplet volumes, which are binary-weighted.
- the eight possible grayscale or halftones are generated by sequentially spraying droplets from the differently sized nozzle openings onto one and the same pixel.
- a droplet generator for emitting colorless ink liquid is provided, which is applied directly to an ink droplet ejected from the other nozzles, whereby soft contours of the colored ink droplets are achieved.
- the object of the invention is to provide measures for controlling the ink droplet volumes for an ink printing device of the type mentioned at the outset, which produce halftone images or gray or color levels from individual dots of different sizes in a simple manner and without reducing the printing speed and the resolution capacity.
- thermal transducer geometries with an inhomogeneous heat generation rate are used according to the invention, the heat generation sections contributing to the vapor bubble formation, for example, both via the amplitude and over the duration of the control pulses the effective area of the thermal converter can be controlled.
- the thermal transducers are divided into several bubble generation sections, they can be used on the one hand to generate droplet volumes that differ according to the number of these sections, and on the other hand, in addition to the generation of grayscale levels, it is also possible in the so-called draft mode to achieve a degree of blackening that can be achieved in Schönschreib Modus (NLQ) to achieve and thus to achieve optimal color coverage without oversaturation of the recording medium with solvents in the production of color prints by reducing the droplet mass.
- NLQ Schönschreib Modus
- the variation of the thermal transducer geometry according to the invention for the controlled generation of different ink droplet volumes is characterized by a particularly simple technological feasibility, since additional electrical control lines on the thin film substrate can be dispensed with.
- FIG. 1 shows top views of differently geometrically designed thermal converters 1, each of which has power supply lines 2, 3 in the form of Conductor tracks can be contacted.
- Thermal converter 1 and conductor tracks 2, 3 can be produced, for example, by vacuum deposition of suitable electrically conductive alloys (for example hafnium diboride HfB2 for the thermal converter) or metals (for example aluminum Al for the conductor tracks) on a base oxide with subsequent photo-technical structuring.
- suitable electrically conductive alloys for example hafnium diboride HfB2 for the thermal converter
- metals for example aluminum Al for the conductor tracks
- FIG. 1 a shows a conventional, rectangular thermal converter 1, which is primarily suitable for producing ink droplets of one size.
- a thermal transducer is used to generate ink droplets of continuous size, the geometric configuration of which is explained with reference to FIG. 1b.
- This thermal converter has a length 1 and, starting from a right power supply 2, runs conically to a left power supply 3, so that the area of the thermal converter decreases steadily in the direction of the left power supply 2.
- the temperature T V necessary for evaporation is first reached in the vicinity of the left power supply 3 with a constant pulse duration and a relatively small amplitude of the control voltage. Small-volume ink droplets are emitted.
- the effective area for bubble formation above the thermal converter increases in the direction of the right power supply 2, ie ink droplets with a larger volume are ejected.
- a thermal converter of conical geometry enables the ink droplet volumes to be continuously adjusted over the amplitude and / or pulse duration of the drive voltage within certain limits given by the channel and nozzle geometry.
- thermal transducers according to FIGS. 1c to 1e are suitable for producing two discrete, different droplet volumes.
- the thermal converters are divided into areas of different widths with the same layer thickness (FIGS. 1c, 1d) or into areas of different thermal or electrical properties (FIG. 1e).
- the thermal converter according to FIG. 1c has a stepped contour within its longitudinal extent, so that the surface of this thermal converter is composed of two rectangles of different widths.
- the rectangle adjacent to the left power supply 3 has a width b 1
- the rectangle adjacent to the right power supply 2 has a width b 2
- the width b 1 being smaller than the width b 2.
- Such a division of the surface of the thermal converter with the same layer thickness creates two different heat generating sections W 1, W 2.
- the thermal converter is shown in the form of a simple rectangle which has an insulation gap 4 for generating two different droplet volumes.
- the length of the insulation gap 4 within the thermal converter defines the two heat generating sections W1, W2 with the effective width 2 ⁇ b3 in the heat generating section W1 and the width b2 in the heat generating section W2.
- the thermal converter consists of two heat generating sections W1, W2 different layer thickness (d i ) and / or layer materials, ie materials with different electrical (specific resistance ⁇ i ) and / or thermal properties (thermal conductivity a i ).
- thermo converters shown with reference to FIGS. 1b to 1e have in common that the absolute droplet sizes are determined by the individual areas of the heat generating sections W 1, W 2.
- a small heated area causes a small droplet to be ejected, the entire area is used to generate large droplets, while the crosstalk, i.e. the quality of the separation of small and large droplets is given by the ratio of the heat generation rates or the surface temperatures of the individual heat generation sections W 1, W 2.
- thermal converter The operation of the thermal converter is shown in more detail in Figure 2 based on the time-dependent temperatures of the heat generating sections W1, W2 with various control pulses.
- the amplitude and pulse duration ⁇ t1 of the control voltage for the thermal converter according to Figure 1 are chosen so that the temperature T V necessary for the onset of bubble formation only from the section W1 of the thermal converter, which, for example, has the higher heat generation rate due to its smaller width (Fig. 1c) is exceeded.
- the temperature T of the section W 1 rises more strongly until the end of the heating pulse at the time t 1, since the heat flow between the section W 1 and the ink liquid is greatly reduced by the formation of bubbles.
- the heat generating section W 2 In order to produce larger ink droplets, the heat generating section W 2 must also exceed the temperature T V necessary to initiate the evaporation. This can be achieved in a simple manner by increasing the amplitude of the control voltage and / or by extending the heating pulse duration.
- a drive voltage is selected to generate a larger ink droplet, the pulse duration of which is identical and the amplitude of which is greater than the amplitude of the drive voltage in the previous example.
- the evaporation Temperature T V is therefore achieved by both heat generating sections W 1, W 2, so that the entire surface of the thermal converter contributes to the formation of droplets.
- the same effect is achieved if the amplitude of the control voltage is not increased, but the heating pulse duration compared to the heating pulse duration according to Figure 2c is extended ( ⁇ t2> ⁇ t1).
- the bubble formation in the ink liquid which begins first in the heat generation section W 1 may initiate evaporation in the heat generation section W 2, it is advantageous to use thermal converter geometries in order to improve the crosstalk behavior, in which the bubble generation sections through colder areas, i.e. Areas with lower heat generation rates or lower thermal conductivities than the bubble generation sections are separated.
- FIG. 3 shows exemplary embodiments of thermal converters whose heat generating sections W 1, W 2 are thermally decoupled from one another by separating areas T 1, T 2.
- the thermal separation of the two heat generating sections W1, W2 can be achieved by a locally widened resistance geometry.
- the two heat generating sections W1, W2 with their widths b1 and b2 do not form a boundary layer at which they meet directly (see FIG. 1c), but are widened with the aid of a heat generating section W1, W2 rectangular web 5, which has a width b3, thermally decoupled (b3> b1, b2).
- the thermal separation of the heat generating sections W1, W2 is done by inserting a low-resistance material between the two heat generating sections W1 and W2.
- the thermal converter is divided into two sections of rectangular shape, which have the same thermal and electrical properties (specific resistance ⁇ 1, layer thickness d1 and thermal conductivity a1), but are of different widths (b1> b2).
- the separation area T1 is characterized by a material with a specific resistance ⁇ 2 ⁇ 1.
- the same effect, namely a thermal separation between the heat generating sections W1, W2 can also be achieved in that the material in the separation area T1 has a greater than the heat generating sections W1, W2 layer thickness d2> d1 or a lower than the heat generating sections W1, W2 lower thermal conductivity a2 ⁇ has a1.
- a between the individual heat generating sections W1, W2 with their different widths b1, b2 inserted separation area T2 has a length ⁇ 1 and can be realized, for example, by a material from which the power supply lines 2,3 are made (eg aluminum Al).
- a material from which the power supply lines 2,3 are made eg aluminum Al.
- FIG. 4 shows that the thermal transducers can also be used to produce more than two different ink droplet volumes by appropriately dividing them into bubble generation sections.
- 4a and 4b show thermal transducer geometries which are suitable for ejecting three ink droplets of different sizes.
- the individual heat generating sections W1, W2 and W3 are either generated analogously to the arrangement according to FIG. 1c by different widths b1, b2 and b3 with the same layer thickness d1 alone (b1 ⁇ b2 ⁇ b3) or in addition to the thermal decoupling serving locally widened resistance geometries according to FIG. 3a (b1 ⁇ b2 ⁇ b3, b4 ⁇ b5).
- the thermal converter is subdivided into a large number of heat generation sections, all of the above-mentioned measures for improving the droplet separation and combinations thereof can be used.
- the thermal transducers of conventional geometry with a constant layer thickness and layer width are covered and structured with a cover layer of low thermal conductivity (for example silicon dioxide SiO2) in such a way that regions of different cover layer thicknesses arise above the thermal converter or the thermal converters are partially with other poorly heat-conducting ones Layers covered.
- the areas created in this way also correspond in their function to the heat generation sections already described and can be used in the same way for producing different droplet sizes.
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Erzeugen von Tintentröpfchen unterschiedlicher Größe in einer Tintendruckeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to an arrangement for producing ink droplets of different sizes in an ink printing device according to the preamble of
Bekannte Tintendruckköpfe, die nach dem Thermowandlerprinzip (Bubble-Jet) arbeiten, weisen eine Matrix von Einzeldüsen auf, aus denen unter Einwirkung einer elektronischen Steuerung definiert Einzeltröpfchen ausgestoßen werden. Jede Düse ist an einen Tintenkanal angeschlossen, in welchem mittels eines Aktors Druckwellen in der Tintenflüssigkeit erzeugt werden. Das Verfahren zum Druckaufbau in der Tintenflüssigkeit beruht auf der Erzeugung kleiner Mikrobläschen. Unter jedem Tintenkanal befindet sich in einem bestimmten Abstand zur Austrittsdüse als Aktor ein elektrothermisches Wandlerelement (Heizelement) in Form eines Dünnfilmwiderstandes. Durch kurzzeitiges Bestromen eines dieser Wandlerelemente wird die unmittelbar darüberliegende Tintenflüssigkeit in einer dünnen Schicht auf hohe Übertemperaturen erhitzt. Im Laufe der nachfolgenden Verdampfung der erhitzten Tintenflüssigkeit entsteht über dem Heizelement eine Dampfblase (Bubble) mit hohem Innendruck, deren Expansion einen Ausstoß der in dem entsprechenden Tintenkanal befindlichen Tintenflüssigkeit durch die Düse bewirkt. Dabei besteht neben fluidmechanischen Einflüssen, die durch die Kanal- und Düsengeometrie gegeben sind, auch eine Proportionalität zwischen dem Tintentröpfchenvolumen und der Oberfläche des Heizelementes, welche die Größe der entsprechenden Dampfblase mitbestimmt.Known ink print heads that work on the principle of thermal conversion (bubble jet) have a matrix of individual nozzles from which defined individual droplets are ejected under the action of an electronic control. Each nozzle is connected to an ink channel, in which pressure waves are generated in the ink liquid by means of an actuator. The process of building pressure in the ink liquid is based on the creation of small microbubbles. An electrothermal transducer element (heating element) in the form of a thin-film resistor is located under each ink channel at a certain distance from the outlet nozzle as an actuator. By briefly energizing one of these transducer elements, the ink liquid immediately above is heated in a thin layer to high excess temperatures. In the course of the subsequent evaporation of the heated ink liquid, a vapor bubble with high internal pressure is formed above the heating element, the expansion of which causes the ink liquid located in the corresponding ink channel to be expelled through the nozzle. In addition to fluid mechanical influences, which are given by the channel and nozzle geometry, there is also a proportionality between the ink droplet volume and the surface of the heating element, which also determines the size of the corresponding vapor bubble.
Sollen mit solchen Tintendruckeinrichtungen Schriften verschiedener Schriftqualitäten, beispielsweise Schriften in einer sog. Entwurfsqualität (Draft Quality, DQ) und in einer sog. Schönschrift (Near Letter Quality, NLQ) erzeugt werden, so ist es vorteilhaft, Tintentröpfchen unterschiedlicher Größen und damit unterschiedlicher Tröpfchenvolumina zu erzeugen. Damit ist einerseits eine verbesserte Schriftqualität (Schwärzungsgrad) bei hoher Druckgeschwindigkeit und andererseits eine verminderte Auflösung durch größere Tintentröpfchen, z.B. im "Draft"-Mode möglich. Außerdem werden solche Tintendruckeinrichtungen als Ausgabegeräte für Grafik eingesetzt, was erfordert, daß sog. Grau- oder Farbstufen darstellbar sein müssen. Insbesondere besteht durch die Erzeugung von Tintentröpfchen unterschiedlicher Größe bei Farbdruck die Möglichkeit, eine Übersättigung des Druckpapiers mit Lösungsmitteln zu vermeiden.If such ink printing devices are to be used to produce fonts of different font qualities, for example fonts in a so-called draft quality (DQ) and in a so-called beautiful font (Near Letter Quality, NLQ), it is advantageous to add ink droplets of different sizes and thus different droplet volumes produce. This means on the one hand an improved font quality (degree of blackening) at high printing speed and on the other hand a reduced resolution due to larger ink droplets, e.g. possible in "draft" mode. In addition, such ink printing devices are used as output devices for graphics, which requires that gray or color levels must be able to be represented. In particular, the generation of ink droplets of different sizes in color printing makes it possible to avoid oversaturation of the printing paper with solvents.
Zur Erzeugung von Tintentröpfchen unterschiedlicher Größe ist es aus der EP-A1-0203534 bekannt, bei einer Tintenschreibeinrichtung mit piezoelektrischen Wandlerelementen, die jeweils den Tintenkanälen des Schreibkopfes zugeordnet sind, diese mit einer einstellbaren Anzahl von Ansteuerimpulsen anzusteuern. Die Folgefrequenz der Ansteuerpulse ist dabei auf die Resonanzfrequenz des Tintenkanals abgestimmt und die Ansteuerimpulse folgen zeitlich derart aufeinander, daß ein durch nachfolgende Ansteuerimpulse bewirkter Ausstoß einer kleinen Tintenmenge aus der Austrittsöffnung des Tintenkanals jeweils noch vor der Ablösung des durch den ersten Ansteuerimpuls bewirkten Tintentröpfchens von der Austrittsöffnung auftritt.To produce ink droplets of different sizes, it is known from EP-A1-0203534 to control them with an adjustable number of control pulses in an ink writing device with piezoelectric transducer elements which are each assigned to the ink channels of the writing head. The repetition frequency of the drive pulses is matched to the resonance frequency of the ink channel and the drive pulses follow one another in time in such a way that an ejection of a small amount of ink from the outlet opening of the ink channel caused by subsequent drive pulses always occurs before the ink droplet caused by the first drive pulse is detached from the outlet opening occurs.
Aus der WO 87/03363 ist eine Tintendruckeinrichtung nach dem Thermowandlerprinzip beschrieben, mit der acht verschiedene Graustufen bzw. Halbtöne erzeugt werden können.WO 87/03363 describes an ink printing device based on the thermal converter principle, with which eight different shades of gray or semitones can be produced.
Hierzu sind drei Tröpfchenerzeuger vorgesehen, die aufgrund unterschiedlicher Fläche der Thermowandler unterschiedliche Tröpfchenvolumina ausstoßen, die binär gewichtet sind. Durch sequentielles Abspritzen von Tröpfchen aus den verschieden großen Düsenöffnungen auf ein und desselben Pixels werden die acht möglichen Graustufen oder Halbtöne erzeugt. Zusätzlich ist noch ein Tröpfchenerzeuger zum Emittieren von farbloser Tintenflüssigkeit vorgesehen, die unmittelbar auf ein von den anderen Düsen ausgestoßenen Tintentröpfchen aufgebracht wird, wodurch weiche Konturen der farbigen Tintentröpfchen erreicht werden.For this purpose, three droplet generators are provided which, due to the different area of the thermal transducers, eject different droplet volumes, which are binary-weighted. The eight possible grayscale or halftones are generated by sequentially spraying droplets from the differently sized nozzle openings onto one and the same pixel. In addition, a droplet generator for emitting colorless ink liquid is provided, which is applied directly to an ink droplet ejected from the other nozzles, whereby soft contours of the colored ink droplets are achieved.
Aufgabe der Erfindung ist es, für eine Tintendruckeinrichtung der eingangs genannten Art Maßnahmen zur Steuerung der Tintentröpfchenvolumina anzugeben, die auf einfache Weise und ohne Verringerung der Druckgeschwindigkeit und des Auflösungsvermögens Halbtonbilder bzw. Grau- oder Farbstufen aus Einzelpunkten unterschiedlicher Größe erzeugt.The object of the invention is to provide measures for controlling the ink droplet volumes for an ink printing device of the type mentioned at the outset, which produce halftone images or gray or color levels from individual dots of different sizes in a simple manner and without reducing the printing speed and the resolution capacity.
Diese Aufgabe wird gemäß den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmalen gelöst.This object is achieved according to the features specified in the characterizing part of
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Advantageous embodiments are characterized in the subclaims.
Durch geeignete Geometrie der Thermowandler in Verbindung mit auf diese Thermowandlergeometrie abgestimmten Ansteuerungsimpulsen können gezielt Tintentröpfchen unterschiedlicher Volumina aus den Austrittsdüsen ausgestoßen werden. Da die Oberfläche der Thermowandler die Größe der entstehenden Dampfblase mitbestimmt und die Verdampfung der Tintenflüssigkeit erst oberhalb einer kritischen Verdampfungstemperatur schlagartig einsetzt, werden erfindungsgemäß Thermowandlergeometrien mit inhomogener Wärmeerzeugungsrate verwendet, wobei sowohl über die Amplitude als auch über die Dauer der Ansteuerimpulse die zur Dampfblasenbildung beitragenden Wärmeerzeugungsabschnitte z.B. die wirksame Fläche der Thermowandler gesteuert werden kann.Appropriate geometry of the thermal transducers in conjunction with control pulses matched to this thermal transducer geometry can be used to specifically eject droplets of different volumes from the outlet nozzles. Since the surface of the thermal transducers also determines the size of the resulting vapor bubble and the evaporation of the ink liquid begins abruptly only above a critical evaporation temperature, thermal transducer geometries with an inhomogeneous heat generation rate are used according to the invention, the heat generation sections contributing to the vapor bubble formation, for example, both via the amplitude and over the duration of the control pulses the effective area of the thermal converter can be controlled.
Werden die Thermowandler in mehrere Blasenerzeugungsabschnitte unterteilt, so können sie einerseits zur Erzeugung von entsprechend der Anzahl dieser Abschnitte verschiedenen Tröpfchenvolumina verwendet werden und andererseits ist es neben der Erzeugung von Graustufen möglich, auch im sog. Draft-Mode einen bei Schönschreibmodus (NLQ) erreichbaren Schwärzungsgrad zu erzielen und damit bei der Anfertigung von Farbdrucken durch Verringern der Tröpfchenmasse eine optimale Farbdeckung ohne Übersättigung des Aufzeichnungsträgers mit Lösungsmitteln zu erreichen.If the thermal transducers are divided into several bubble generation sections, they can be used on the one hand to generate droplet volumes that differ according to the number of these sections, and on the other hand, in addition to the generation of grayscale levels, it is also possible in the so-called draft mode to achieve a degree of blackening that can be achieved in Schönschreib Modus (NLQ) to achieve and thus to achieve optimal color coverage without oversaturation of the recording medium with solvents in the production of color prints by reducing the droplet mass.
Die erfindungsgemäße Variation der Thermowandlergeometrie zur gesteuerten Erzeugung unterschiedlicher Tintentröpfchenvolumina zeichnet sich dabei durch eine besonders einfache technologische Realisierbarkeit aus, da auf zusätzliche elektrische Steuerleitungen auf dem Dünnfilmsubstrat verzichtet werden kann.The variation of the thermal transducer geometry according to the invention for the controlled generation of different ink droplet volumes is characterized by a particularly simple technological feasibility, since additional electrical control lines on the thin film substrate can be dispensed with.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Tintendruckeinrichtung gemäß der Erfindung anhand von Zeichnungen beschrieben. Dort zeigen
Figur 1 Beispiele von Thermowandlern zur Erzeugung von Tintentröpfchen unterschiedlicher Volumina,- Figur 2 Temperaturverläufe von Wärmeerzeugungsabschnitten der Thermowandler nach
Figur 1 bei verschiedenen elektrischen Ansteuerimpulsen, - Figur 3 weitere Beispiele von Thermowandlern zur Erzeugung von zwei verschieden großen Tintentröpfchen und
- Figur 4 Beispiele für eine Heizelementgeometrie zur Erzeugung von drei verschiedenen Tröpfchengrößen.
- FIG. 1 examples of thermal converters for producing ink droplets of different volumes,
- FIG. 2 shows temperature profiles of heat generating sections of the thermal converter according to FIG. 1 with different electrical control pulses,
- Figure 3 further examples of thermal converters for producing two different sized ink droplets and
- FIG. 4 examples of a heating element geometry for producing three different droplet sizes.
In der Figur 1 sind Draufsichten von verschieden geometrisch gestalteten Thermowandlern 1 dargestellt, welche jeweils an ihren Stirnseiten mit Stromzuführungen 2 ,3 in Form von Leiterbahnen kontaktiert werden. Thermowandler 1 und Leiterbahnen 2,3 können dabei beispielsweise durch Vakuumabscheidung geeigneter elektrisch leitfähiger Legierungen (z.B. Hafniumdiborid HfB₂ für die Thermowandler) oder Metalle (z.B. Aluminium Al für die Leiterbahnen) auf ein Grundoxyd mit anschließender fototechnischer Strukturierung erzeugt werden.FIG. 1 shows top views of differently geometrically designed
Die Figur 1a zeigt einen herkömmlichen, rechteckförmigen Thermowandler 1, der primär zur Erzeugung von Tintentröpfchen einer Größe geeignet ist. Durch die Rechteckform des Thermowandlers ergibt sich eine homogene Wärmeerzeugungsrate (Wärmeerzeugungsrate = thermische Leistung/Fläche =
Zur Erzeugung von Tintentröpfchen kontinuierlicher Größe dient ein Thermowandler, dessen geometrische Ausgestaltung anhand von Figur 1b erläutert wird. Dieser Thermowandler weist eine Länge 1 auf und verläuft, ausgehend von einer rechten Stromzuführung 2 konisch zu einer linken Stromzuführung 3, so daß die Fläche des Thermowandlers in Richtung zur linken Stromzuführung 2 stetig abnimmt. Die Breite des Thermowandlers an der rechten Stromzuführung 2 ist mit b₁, die Breite an der linken Stromzuführung 3 mit b₀ bezeichnet. Legt man darüber hinaus an der Stirnseite der linken Stromzuführung 3 den Fußpunkt einer laufenden Koordinate x fest, so erhält man für die Breite b (x) folgende Beziehung:
b (x) = b₀ + ((b₁ - b₀) / 1) · x mit b₀ < b₁.A thermal transducer is used to generate ink droplets of continuous size, the geometric configuration of which is explained with reference to FIG. 1b. This thermal converter has a
b (x) = b₀ + ((b₁ - b₀) / 1) x with b₀ <b₁.
Aufgrund er sich dadurch einstellenden ungleichen Stromdichteverteilung wird bei konstanter Impulsdauer und relativ kleiner Amplitude der Ansteuerspannung die zur Verdampfung notwendige Temperatur TV zuerst in der Nähe der linken Stromzuführung 3 erreicht. Dabei werden kleinvolumige Tintentröpfchen emittiert. Mit Erhöhung der Ansteuerspannung oder auch Verlängerung der Impulsdauer vergrößert sich die zur Blasenbildung wirksame Fläche über dem Thermowandler in Richtung der rechten Stromzuführung 2, d.h. es werden Tintentröpfchen mit größerem Volumen ausgestoßen. Prinzipiell ist mit einem Thermowandler konischer Geometrie eine über Amplitude und/oder Impulsdauer der Ansteuerspannung kontinuierliche Abstimmung der Tintentröpfchenvolumina innerhalb gewisser, durch die Kanal- und Düsengeometrie gegebener Grenzen möglich.Because of the resulting uneven current density distribution, the temperature T V necessary for evaporation is first reached in the vicinity of the left power supply 3 with a constant pulse duration and a relatively small amplitude of the control voltage. Small-volume ink droplets are emitted. As the drive voltage or the pulse duration increases, the effective area for bubble formation above the thermal converter increases in the direction of the right power supply 2, ie ink droplets with a larger volume are ejected. In principle, a thermal converter of conical geometry enables the ink droplet volumes to be continuously adjusted over the amplitude and / or pulse duration of the drive voltage within certain limits given by the channel and nozzle geometry.
Während mit dem Thermowandler nach Figur 1b Tintentröpfchen kontinuierlicher Größe erzeugt werden können, eignen sich die Thermowandler nach den Figuren 1c bis 1e zur Erzeugung zweier diskreter, voneinander unterschiedlicher Tröpfchenvolumina. Die Thermowandler sind dabei in Bereiche unterschiedlicher Breite bei gleicher Schichtdicke (Fig. 1c, 1d) oder in Bereiche unterschiedlicher thermischer oder elektrischer Eigenschaften unterteilt (Figur 1e).While continuous-size ink droplets can be produced with the thermal transducer according to FIG. 1b, the thermal transducers according to FIGS. 1c to 1e are suitable for producing two discrete, different droplet volumes. The thermal converters are divided into areas of different widths with the same layer thickness (FIGS. 1c, 1d) or into areas of different thermal or electrical properties (FIG. 1e).
Der Thermowandler nach Figur 1c weist innerhalb seiner Längserstreckung eine abgestufte Kontur auf, so daß sich die Fläche dieses Thermowandlers aus zwei unterschiedlich breiten Rechtecken zusammensetzt. Das an die linke Stromzuführung 3 angrenzende Rechteck besitzt eine Breite b₁, das an die rechte Stromzuführung 2 angrenzende Rechteck besitzt eine Breite b₂, wobei die Breite b₁ kleiner ist als die Breite b₂. Durch eine solche Aufteilung der Fläche des Thermowandlers bei gleicher Schichtdicke werden zwei unterschiedliche Wärmeerzeugungsabschnitte W₁, W₂ geschaffen.The thermal converter according to FIG. 1c has a stepped contour within its longitudinal extent, so that the surface of this thermal converter is composed of two rectangles of different widths. The rectangle adjacent to the left power supply 3 has a
In Figur 1d ist der Thermowandler in Form eines einfachen Rechteckes abgebildet, welches zur Erzeugung von zwei unterschiedlichen Tröpfchenvolumina einen Isolationsspalt 4 aufweist. Die Länge des Isolationsspaltes 4 innerhalb des Thermowandlers legt dabei die beiden Wärmeerzeugungsabschnitte W₁, W₂ mit der wirksamen Breite 2 · b₃ im Wärmeerzeugungsabschnitt W₁ und der Breite b₂ im Wärmeerzeugungsabschnitt W₂ fest.In Figure 1d, the thermal converter is shown in the form of a simple rectangle which has an insulation gap 4 for generating two different droplet volumes. The length of the insulation gap 4 within the thermal converter defines the two heat generating sections W₁, W₂ with the effective width 2 · b₃ in the heat generating section W₁ and the width b₂ in the heat generating section W₂.
Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung einer ungleichförmigen Wärmeverteilung im Thermowandler ist in Figur 1e gezeigt. Der Thermowandler besteht dabei aus zwei Wärmeerzeugungsabschnitten W₁, W₂ unterschiedlicher Schichtdicke (di) und/oder Schichtmaterialien, d.h. Materialien mit voneinander verschiedenen elektrischen (spezifischer Widerstand ρi) und/oder thermischen Eigenschaften (Temperaturleitfähigkeit ai).Another possibility for producing a non-uniform heat distribution in the thermal converter is shown in FIG. 1e. The thermal converter consists of two heat generating sections W₁, W₂ different layer thickness (d i ) and / or layer materials, ie materials with different electrical (specific resistance ρ i ) and / or thermal properties (thermal conductivity a i ).
Allen anhand der Figuren 1b bis 1e gezeigten Ausführungsbeispielen von Thermowandlern ist gemeinsam, daß die absoluten Tröpfchengrößen durch die Einzelflächen der Wärmeerzeugungsabschnitte W₁, W₂ bestimmt sind. Eine kleine erhitzte Fläche bewirkt dabei den Ausstoß eines kleinen Tröpfchens, die gesamte Fläche dient zum Erzeugen von großen Tröpfchen, während das Übersprechen, d.h. die Güte der Trennung kleiner und großer Tröpfchen, durch das Verhältnis der Wärmeerzeugungsraten bzw. der Oberflächentemperaturen der einzelnen Wärmeerzeugungsabschnitte W₁, W₂ gegeben ist.All of the exemplary embodiments of thermal converters shown with reference to FIGS. 1b to 1e have in common that the absolute droplet sizes are determined by the individual areas of the heat
Die Funktionsweise der Thermowandler ist anhand der zeitabhängigen Temperaturen der Wärmeerzeugungsabschnitte W₁, W₂ bei verschiedenen Ansteuerungsimpulsen in Figur 2 näher dargestellt.The operation of the thermal converter is shown in more detail in Figure 2 based on the time-dependent temperatures of the heat generating sections W₁, W₂ with various control pulses.
In Figur 2a sind Amplitude und Pulsdauer Δt₁ der Ansteuerspannung für die Thermowandler nach Figur 1 so gewählt, daß die zum Einsetzen der Blasenbildung notwendige Temperatur TV nur von dem Teilabschnitt W₁ des Thermowandlers, welcher aufgrund z.B. seiner geringeren Breite die höhere Wärmeerzeugungsrate aufweist (Fig. 1c), überschritten wird. Nach dem Einsetzen der Verdampfung zum Zeitpunkt tv steigt die Temperatur T des Teilabschnittes W₁ bis zur Beendigung des Heizimpulses zum Zeitpunkt t₁ stärker an, da der Wärmefluß zwischen dem Teilabschnitt W₁ und der Tintenflässigkeit durch die Blasenbildung stark verringert wird. Der Temperaturverlauf vom Zeitpunkt des Verdampfungsbeginns tV bis zum Einsetzen der Kondensation zum Zeitpunkt tK kennzeichnet die Expansion der Dampfblase, wobei diese mechanische Arbeit verrichtet und der Tintenstrahl aus der Düse ausgestoßen wird. Da der Teilabschnitt W₂ des Thermowandlers aufgrund seiner niedrigeren Wärmeerzeugungsrate (z.B. durch größere Breite dieses Abschnittes gegenüber dem Teilabschnitt W₁, vgl. Fig. 1c) nicht die zum Einleiten der Verdampfung notwendige Temperatur erreicht, trägt dieser nicht zur Tröpfchenbildung bei. Das Volumen des emittierten kleinen Tröpfchens wird somit durch die Fläche des Wärmeerzeugungsabschnittes W₁ bestimmt.In Figure 2a, the amplitude and pulse duration Δt₁ of the control voltage for the thermal converter according to Figure 1 are chosen so that the temperature T V necessary for the onset of bubble formation only from the section W₁ of the thermal converter, which, for example, has the higher heat generation rate due to its smaller width (Fig. 1c) is exceeded. After the onset of evaporation at time t v , the temperature T of the
Zur Erzeugung größerer Tintentröpfchen muß zusätzlich der Wärmeerzeugungsabschnitt W₂ die zum Einleiten der Verdampfung notwendige Temperatur TV überschreiten. Dies kann auf einfache Weise durch Erhöhung der Amplitude der Ansteuerspannung und/oder durch die Verlängerung der Heizimpulsdauer erreicht werden.In order to produce larger ink droplets, the heat generating section W 2 must also exceed the temperature T V necessary to initiate the evaporation. This can be achieved in a simple manner by increasing the amplitude of the control voltage and / or by extending the heating pulse duration.
In Figur 2b ist zur Erzeugung eines größeren Tintentröpfchens eine Ansteuerspannung gewählt, deren Impulsdauer identisch und deren Amplitude größer ist als die Amplitude der Ansteuerspannung im vorhergehenden Beispiel. Die Verdampfungs temperatur TV wird deshalb von beiden Wärmeerzeugungsabschnitten W₁, W₂ erreicht, so daß die gesamte Fläche des Thermowandlers zur Tröpfchenbildung beiträgt. Dieselbe Wirkung wird erreicht, wenn nicht die Amplitude der Ansteuerungsspannung erhöht wird, sondern die Heizimpulsdauer gegenüber der Heizimpulsdauer nach Figur 2c verlängert wird (Δt₂ > Δt₁).In FIG. 2b, a drive voltage is selected to generate a larger ink droplet, the pulse duration of which is identical and the amplitude of which is greater than the amplitude of the drive voltage in the previous example. The evaporation Temperature T V is therefore achieved by both heat
Im Hinblick auf die Lebensdauer der Thermowandler und um eine zweite unkontrollierte Verdampfung auszuschließen, ist dabei eine unnötige thermische Überlastung des Teilabschnittes mit der größeren Wärmeerzeugungsrate (Wärmeerzeugungsabschnitt W₁) bzw. Oberflächentemperatur zu vermeiden.With regard to the life of the thermal converter and to rule out a second uncontrolled evaporation, unnecessary thermal overloading of the section with the higher heat generation rate (heat generation section W 1) or surface temperature is to be avoided.
Da die im Wärmeerzeugungsabschnitt W₁ zuerst einsetzende Blasenbildung in der Tintenflüssigkeit unter Umständen eine Verdampfung im Wärmeerzeugungsabschnitt W₂ initiieren kann, ist es vorteilhaft, zur Verbesserung des Übersprechverhaltens Thermowandlergeometrien zu verwenden, bei denen die Blasenerzeugungsabschnitte durch kältere Bereiche, d.h. Bereiche mit gegenüber den Blasenerzeugungsabschnitten niedrigeren Wärmeerzeugungsraten oder kleinerer Temperaturleitfähigkeiten voneinander getrennt sind.Since the bubble formation in the ink liquid which begins first in the heat
Die Figur 3 zeigt Ausführungsbeispiele von Thermowandlern, deren Wärmeerzeugungsabschnitte W₁, W₂ durch Trennbereiche T₁, T₂ voneinander thermisch entkoppelt sind. Wie in Figur 3a dargestellt ist, läßt sich die thermische Trennung der beiden Wärmeerzeugngsabschnitte W₁, W₂ durch eine lokal verbreiterte Widerstandsgeometrie erreichen. Die beiden Wärmeerzeugungsabschnitte W₁, W₂ mit ihren Breiten b₁ und b₂ bilden keine Grenzschicht, an der sie unmittelbar aneinanderstoßen (vgl. Figur 1c), sondern sind mit Hilfe eines gegenüber den Wärmeerzeugungsabschnitten W₁, W₂ verbreiterten rechteckförmigen Steges 5, der eine Breite b₃ aufweist, thermisch entkoppelt (b₃ > b₁, b₂).FIG. 3 shows exemplary embodiments of thermal converters whose heat generating
Eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung des Übersprechverhaltens wird anhand Figur 3b erläutert. Die thermische Trennung der Wärmeerzeugungsabschnitte W₁, W₂ geschieht dabei durch Einfügen eines niederohmigen Widerstandsmaterials zwischen die beiden Wärmeerzeugungsabschnitte W₁ und W₂. Der Thermowandler ist in zwei Teilabschnitte rechteckförmiger Gestalt eingeteilt, die zwar dieselben thermischen und elektrischen Eigenschaften (spezifischer Widerstand ρ₁, Schichtdicke d₁ und Temperaturleitfähigkeit a₁) aufweisen, aber unterschiedlich breit sind (b₁ > b₂). Der Trennbereich T₁ ist durch ein Material mit einem spezifischen Widerstand ρ₂ < ρ₁ gekennzeichnet. Die gleiche Wirkung, nämlich eine thermische Trennung zwischen den Wärmeerzeugungsabschnitten W₁, W₂ kann auch dadurch erreicht werden, daß das Material im Trennbereich T₁ eine gegenüber den Wärmeerzeugungsabschnitten W₁, W₂ größere Schichtdicke d₂ > d₁ oder eine gegenüber den Wärmeerzeugungsabschnitten W₁, W₂ niedrigere Temperaturleitfähigkeit a₂ < a₁ aufweist.Another possibility for improving the crosstalk behavior is explained with reference to FIG. 3b. The thermal separation of the heat generating sections W₁, W₂ is done by inserting a low-resistance material between the two heat generating sections W₁ and W₂. The thermal converter is divided into two sections of rectangular shape, which have the same thermal and electrical properties (specific resistance ρ₁, layer thickness d₁ and thermal conductivity a₁), but are of different widths (b₁> b₂). The separation area T₁ is characterized by a material with a specific resistance ρ₂ <ρ₁. The same effect, namely a thermal separation between the heat generating sections W₁, W₂ can also be achieved in that the material in the separation area T₁ has a greater than the heat generating sections W₁, W₂ layer thickness d₂> d₁ or a lower than the heat generating sections W₁, W₂ lower thermal conductivity a₂ < has a₁.
Da die Lage der Thermowandler im Tintenkanal ebenfalls Einfluß auf die emittierte Tröpfchenmasse hat, ist auch eine räumliche Trennung der Wärmeerzeugungsabschnitte W₁, W₂ gemäß Figur 3c möglich. Ein zwischen die einzelnen Wärmeerzeugungsabschnitte W₁, W₂ mit ihren unterschiedlichen Breiten b₁, b₂ eingefügter Trennbereich T₂ weist eine Länge Δ1 auf und kann beispielsweise durch ein Material realisiert sein, aus dem auch die Stromzuführungen 2,3 bestehen (z.B. Aluminium Al). Darüber hinaus sind auch Kombinationen der anhand der Figuren 3a und 3b gezeigten Thermowandlergeometrien mit einer solchen zusätzlichen räumlichen Trennung der Wärmeerzeugungsabschnitte W₁, W₂ möglich.Since the position of the thermal converter in the ink channel also has an influence on the emitted droplet mass, spatial separation of the heat
Die Figur 4 zeigt, daß die Thermowandler durch entsprechende Unterteilung in Blasenerzeugungsabschnitte auch zur Erzeugung von mehr als zwei verschiedenen Tintentröpfchenvolumina verwendet werden können. So sind in der Figur 4a und 4b Thermowandlergeometrien angegeben, die sich zum Ausstoß von drei Tintentröpfchen unterschiedlicher Größe eignen. Die einzelnen Wärmeerzeugungsabschnitte W₁, W₂ und W₃ werden dabei entweder analog der Anordnung nach Figur 1c durch unterschiedliche Breiten b₁, b₂ und b₃ bei gleicher Schichtdicke d₁ allein (b₁ < b₂ < b₃) oder zusätzlich zur thermischen Entkopplung dienenden lokal verbreiterten Widerstandsgeometrien nach Figur 3a erzeugt (b₁ < b₂ < b₃, b₄ < b₅). Selbstverständlich sind auch bei Unterteilung des Thermowandlers in eine Vielzahl von Wärmeerzeugungsabschnitten alle oben angegebenen Maßnahmen zur Verbesserung der Tröpfchenseparation und Kombinationen daraus anwendbar.FIG. 4 shows that the thermal transducers can also be used to produce more than two different ink droplet volumes by appropriately dividing them into bubble generation sections. 4a and 4b show thermal transducer geometries which are suitable for ejecting three ink droplets of different sizes. The individual heat generating sections W₁, W₂ and W₃ are either generated analogously to the arrangement according to FIG. 1c by different widths b₁, b₂ and b₃ with the same layer thickness d₁ alone (b₁ <b₂ <b₃) or in addition to the thermal decoupling serving locally widened resistance geometries according to FIG. 3a (b₁ <b₂ <b₃, b₄ <b₅). Of course, even if the thermal converter is subdivided into a large number of heat generation sections, all of the above-mentioned measures for improving the droplet separation and combinations thereof can be used.
Da bei den vorgestellten Methoden die primäre Voraussetzung zur Erzeugung verschiedener Tröpfchengrößen sich zeitlich unterschiedlich entwickelnde Oberflächentemperaturen der einzelnen Wärmeerzeugungsabschnitte sind, sei auf eine weitere Möglichkeit, dieses zu erreichen, hingewiesen. Dazu werden die Thermowandler herkömmlicher Geometrie (vgl. Figur 1a) mit konstanter Schichtdicke und Schichtbreite mit einer Deckschicht niedriger Wärmeleitfähigkeit (z.B. Siliziumdioxyd SiO₂) so abgedeckt und strukturiert, daß über dem Thermowandler Bereiche unterschiedlicher Deckschichtdicke entstehen oder es werden die Thermowandler partiell mit weiteren schlecht wärmeleitenden Schichten abgedeckt. Die so geschaffenen Bereiche entsprechen in ihrer Funktion dabei ebenfalls den schon beschriebenen Wärmeerzeugungsabschnitten und sind auf die gleiche Weise zur Erzeugung verschiedener Tröpfchengrößen verwendbar.As the primary prerequisite for the generation of different droplet sizes in the methods presented is that the surface temperatures of the individual heat-generating sections develop differently over time, we would like to point out another way of achieving this. For this purpose, the thermal transducers of conventional geometry (cf. FIG. 1a) with a constant layer thickness and layer width are covered and structured with a cover layer of low thermal conductivity (for example silicon dioxide SiO₂) in such a way that regions of different cover layer thicknesses arise above the thermal converter or the thermal converters are partially with other poorly heat-conducting ones Layers covered. The areas created in this way also correspond in their function to the heat generation sections already described and can be used in the same way for producing different droplet sizes.
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