DE69605586T2

DE69605586T2 - Tintenstrahlaufzeichnungskopf

Info

Publication number: DE69605586T2
Application number: DE69605586T
Authority: DE
Inventors: Tsuyoshi Kitahara
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1995-02-23
Filing date: 1996-02-23
Publication date: 2000-08-03
Anticipated expiration: 2016-02-24
Also published as: JP3422349B2; US5754204A; EP0728583A2; DE69605586D1; JPH08290571A; EP0728583B1; EP0728583A3

Description

Die Erfindung betrifft einen Tintenstrahlaufzeichnungskopf.
Ein Tintenstrahlaufzeichnungskopf kann Drucke bei einer höheren Geschwindigkeit ausführen als ein Drahtpunktaufzeichnungskopf oder ein Aufzeichnungskopf mit thermischer Übertragung, und bei einer Dichte, die ein ähnliches Niveau wie die eines Aufzeichnungskopfes mit thermischer Übertragung aufweist. Folglich wird ein Aufzeichnungsgerät, das einen Tintenstrahlaufzeichnungskopf verwendet, weit verbreitet bei Druckern mit stufenweiser Ausstoßung, die einen Drahtpunktaufzeichnungskopf oder einen Aufzeichnungskopf mit thermischer Übertragung verwenden und beginnt, dem Vergleich mit einem Seitendrucker standzuhalten, der das Xerodrucksystem verwendet.
Tintenstrahlaufzeichnungsköpfe werden in zwei Typen klassifiziert, einen Typ, bei dem ein Heizmittel in einer Druckkammer angeordnet ist, Tinte augenblicklich durch thermische Energie verdampft wird und ein Druck, der als Folge der Verdampfung erzeugt wird, einen Tintentropfen dazu veranlaßt, ausgestoßen zu werden, und einen anderen Typ, bei dem ein Teil einer Druckkammer so angeordnet ist, daß er elastisch verformbar ist, und die Druckkammer durch einen piezoelektrischen Vibrator zusammengedrückt wird, wobei sie einen Tintentropfen ausstößt. Bei dem letzteren Typ kann die Druckkammer gedrückt werden, während relative Beziehungen mit der Ausdehnungsrate des piezoelektrischen Vibrators und des Meniskus erzielt werden. Daher weist ein Aufzeichnungskopf des Typs ein Merkmal auf, daß er Druck einer hohen Qualität ausführen kann.
Andererseits ist es, um dauerhaft eine hohe Druckqualität zu erzielen, erforderlich, die Position des Meniskus und die zeitliche Abstimmung der Kompression der Druckkammer durch den piezoelektrischen Vibrator fein zu steuern. Um dies zu erfüllen, sind verschiedene Steuerungssysteme vorgeschlagen worden.
Zum Beispiel offenbart USP Nr. 4,697,193 einen Aufzeichnungskopf, bei dem eine Druckkammer gebildet ist, so daß die Helmholtz-Resonanzfrequenz nicht niedriger als 10 kHz und nicht höher als 100 kHz ist, und ein piezoelektrischer Vibrator wird veranlaßt, sich zusammenzuziehen, so daß sich die Druckkammer ausdehnt und dabei Tinte in die Druckkammer saugt. Zu dem Zeitpunkt, wenn der Meniskus einer Düsenöffnung durch Ausdehnung der Druckkammer in eine vorbestimmte Position auf der Seite der Druckkammer zurückgezogen wird, wird der piezoelektrische Vibrator veranlaßt, sich auszudehnen, so daß sich die Druckkammer zusammenzieht und dabei einen Tintentropfen ausstößt.
Bei einem solchen Aufzeichnungskopf sind, da der Meniskus im Tintenausstoßvorgang konstant ist, das Volumen und die Fluggeschwindigkeit eines Tintentropfens konstant, ungeachtet der Dauer der Bildung eines Tintentropfens, d. h. des Zyklus der Tintentropfenbildung, wobei eine Wirkung erzeugt wird, daß gedruckte Tropfen in der Dichte und Position stabilisiert werden.
Bei dem Aufzeichnungskopf wird jedoch ein Tintentropfen ausgestoßen, indem die Druckkammer in einem Zustand zusammengedrückt wird, in dem der Meniskus etwas von der Oberfläche einer Düsenöffnung in Richtung der Druckkammer gezogen wird, und daher neigt der Tintentropfen dazu, eine säulenförmige Form aufzuweisen.
In dem Fall, in dem die Zuführungsgeschwindigkeit des Aufzeichnungskopfes niedrig ist, ist die Form eines ausgestoßenen Tintentropfens nicht besonders bedeutsam. In dem Fall, in dem der Aufzeichnungskopf schnell bewegt wird, um einen Hochgeschwindigkeitsdruck auszuführen, ist im Gegensatz dazu die Zeit, in der der hintere Abschnitt eines Tintentropfens ein Aufzeichnungsblatt erreicht, verschieden von der Zeit, in der der vordere Abschnitt desselben Tintentropfens das Blatt erreicht. Diese zeitliche Differenz verursacht, daß der Tintentropfen in einer Form, die in der Bewegungsrichtung des Aufzeichnungskopfes verlängert ist, oder in einer elliptischen Form gedruckt wird, wobei das Problem entsteht, daß die Druckqualität beeinträchtigt ist.
Die Absicht der vorliegenden Erfindung ist es, die oben genannten Probleme zu überwinden. Die Aufgabe wird durch den Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß dem selbständigen Anspruch 1 gelöst. Weitere Vorteile, Merkmale, Gesichtspunkte und Einzelheiten der Erfindung werden aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen ersichtlich.
Die vorliegende Erfindung betrifft grundlegend einen Tintenstrahlaufzeichnungskopf, bei dem eine Druckkammer durch einen piezoelektrischen Vibrator dazu veranlaßt wird, sich zusammenzuziehen, welcher in Übereinstimmung mit einem Drucksignal arbeitet und dabei einen Tintentropfen aus einer Düsenöffnung ausstößt.
Es ist ein Gesichtspunkt der Erfindung, einen neuartigen Tintenstrahlaufzeichnungskopf bereitzustellen, der einen Tintentropfen einer Form ausstoßen kann, die so kugelförmig wie möglich ist, ohne die Antriebsfrequenz zu verringern.
Um die Aufgabe zu lösen, umfaßt ein Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß der Erfindung: eine Druckkammer in Verbindung mit einer Düsenöffnung einer Düsenplatte und mit einem Reservoir durch einen Tintenzuführdurchlaß; und
Verschiebungserzeugungsmittel, um als Reaktion auf ein Antriebssignal eine Volumenverschiebung in der Druckkammer zu erzeugen, wobei die Inertanz Mn der Düsenöffnung und die Inertanz Ms des Tintenzuführdurchlasses so eingestellt sind, daß sie 0,5 < Mn / (Mn + Ms) betragen.
Der Meniskus wird durch eine Trägheitsenergie, die auf die Tintensaugung zur Druckkammer zurückzuführen ist, schnell zur Düsenöffnung zurückgebracht, so daß der Tintenausstoß in der Nähe der Düsenöffnung ausgeführt wird, wobei ermöglicht wird, einen Tintentropfen auszustoßen, der im wesentlichen kugelförmig ist. Die Kontraktionszeitdauer eines piezoelektrischen Vibrators für das Saugen von Tinte in die Druckkammer und eine Ausdehnungszeitdauer des piezoelektrischen Vibrators für das Ausstoßen eines Tintentropfens aus der Düsenöffnung sind so bestimmt, daß sie 1/f betragen. Als Folge davon wird die Restvibration des Meniskus verringert, so daß der Aufzeichnungskopf bei einer hohen Frequenz angetrieben werden kann.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser verständlich, wobei:
Fig. 1 eine Ansicht ist, die eine Ausführungsform eines Tintenstrahldruckers zeigt, auf den das Antriebssystem des Tintenstrahlaufzeichnungskopfes der Erfindung angewendet ist;
Fig. 2 eine Ansicht ist, die die Anordnung von Düsenöffnungen eines Tintenstrahlaufzeichnungskopfes zeigt, der in dem Antriebssystem der Erfindung verwendet wird;
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht teilweise im Querschnitt ist, die eine Ausführungsform eines Tintenstrahlaufzeichnungskopfes zeigt, der im Antriebssystem der Erfindung verwendet wird;
Fig. 4 (a) bis (c) Skizzen sind, die den Betrieb des Tintenstrahlaufzeichnungskopfes zeigen;
Fig. 5 (a) bis (c) Ansichten sind, die jeweils ein Antriebssignal zeigen, das auf den Tintenstrahlaufzeichnungskopf anzuwenden ist, sowie die Änderung im Volumen einer Druckkammer und die Position des Meniskus zeigen;
Fig. 6 eine Graphik ist, die eine Antriebsfrequenz, das Volumen eines Tintentropfens und die Geschwindigkeit des Tintentropfens hinsichtlich des Inertanzverhältnisses zeigt;
Fig. 7 eine perspektivische Ansicht teilweise im Querschnitt ist, die eine Ausführungsform eines anderen Tintenstrahlaufzeichnungskopfes zeigt, auf den die Erfindung angewendet werden kann;
Fig. 8 (a), 8 (b) und 8 (c) Skizzen sind, die den Betrieb des Tintenstrahlaufzeichnungskopfes zeigen; und
Fig. 9 (a) bis (c) Ansichten sind, die jeweils ein Antriebssignal zeigen, das auf den Tintenstrahlaufzeichnungskopf anzuwenden ist, sowie die Änderung im Volumen einer Druckkammer und die Position des Meniskus zeigen.
Im folgenden wird die Erfindung ausführlich auf der Grundlage von veranschaulichten Ausführungsformen beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform eines Tintenstrahlaufzeichnungsgerätes, das den Aufzeichnungskopf der Erfindung verwendet. In der Figur bezeichnet 1 den Tintenstrahlaufzeichnungskopf der Erfindung, der später beschrieben wird. Bei der Ausführungsform ist der Tintenstrahlaufzeichnungskopf zusammen mit einem Tintenbehälter 2 auf einem Schlitten 3 befestigt, der von Führungselementen 4 gestützt wird, um so in der Axialrichtung einer Papierwalze 9 beweglich zu sein. Wie in Fig. 2 gezeigt, sind Düsenöffnungen in vorbestimmten Intervallen in der Vorschubrichtung des Blattes gebildet. Der Schlitten 3 ist mit einem Steuerriemen 5 verbunden, dessen eines Ende um eine Mitläuferrolle 6 gewunden ist und dessen anderes Ende um eine Antriebswalze 7 gewunden ist, die an der Welle eines Schrittmotors 8 befestigt ist, um so in den Richtungen von Pfeilen beweglich zu sein, die durch 13 in der Figur angezeigt sind.
Die Papierwalze 9, an die mittels Blattandruckwalzen 10 und 11 ein Aufzeichnungsblatt 12 angedrückt wird, ist an eine Antriebsquelle angeschlossen (nicht gezeigt), um so das Aufzeichnungsblatt in der Richtung eines Pfeils, der durch 14 in Fig. 1 bezeichnet ist, vorzuschieben.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform des Tintenstrahlaufzeichnungskopfes, der oben beschrieben ist. In der Figur bezeichnet 28 Druckkammern. Jede Druckkammer wird gebildet, indem ein Ende einer Durchgangsbohrung, die in einer Kanalplatte 26 geöffnet ist, durch eine Düsenplatte 27 verschlossen wird und das andere Ende durch eine elastische Platte 24 verschlossen wird, die elastischer Verformung durch piezoelektrische Vibratoren 21 unterliegt, die später beschrieben werden.
Die Druckkammer 28 steht an einem Ende mit einer Düsenöffnung 20 und am anderen Ende mit einem Reservoir 30 durch einen Tintenzuführdurchlaß 29 in Verbindung.
In Fig. 3 bezeichnet 21 die piezoelektrischen Vibratoren, die an einem Ende an einem Sockel 22 in einem Abstand befestigt sind, der dem der Düsenöffnungen 20 entspricht, und die an dem anderen Ende gegen die elastische Platte 24 stoßen, die durch vorspringende Elemente 23 die Druckkammer 28 bilden. Die vorspringenden Elemente 23 sind länger als die piezoelektrischen Vibratoren 21, um so die Funktion zu erfüllen, einen breiten Bereich der Druckkammer 28 zu drücken, so daß die Antriebsenergie, die durch die piezoelektrischen Vibratoren 21 ausgeübt wird, wirkungsvoll dazu verwendet wird, Tinte auszustoßen.
Jeder der piezoelektrischen Vibratoren 21 ist angeordnet, indem abwechselnd ein piezoelektrisches Material P und eine elektrisch leitende Schicht E schichtweise angeordnet sind, und weist einen Longitudinalvibrationsmodus auf, bei dem sich der Vibrator in der Axialrichtung ausdehnt oder zusammenzieht, oder genauer, wenn ein Antriebssignal durch die elektrisch leitenden Schichten hindurch angelegt wird, dehnt sich der Vibrator in der Axialrichtung aus, und wenn das Antriebssignal abgeschaltet wird, zieht sich der Vibrator zusammen. Die piezoelektrischen Vibratoren 21 können mit einer höheren Geschwindigkeit angetrieben werden als ein piezoelektrischer Vibrator des Biegevibrationsmodus, und können so eingestellt werden, daß die Eigenfrequenz 50 bis 400 kHz beträgt.
Bei der Erfindung ist unter Verwendung des oben Genannten jeder piezoelektrische Vibrator 21 so ausgelegt, daß seine Eigenfrequenz im wesentlichen der Helmholtz-Resonanzfrequenz f der Druckkammer 28 entspricht.
In Fig. 3 bezeichnet 25 einen Rahmen, an dem die flexible Platte 24, die Kanalplatte 26, die Düsenplatte 27 und der Sockel 22 befestigt sind.
Wenn die Nachgiebigkeit der Druckkammer 28 aufgrund der Verdichtbarkeit von Tinte durch Ci angezeigt wird, die Steifigkeit, die auf die Materialien der elastischen Platte 24, der Düsenplatte 27 und der Kanalplatte 26 zurückzuführen ist, die die Druckkammer 28 bilden, durch Cv angezeigt wird, die Inertanz jeder Düsenöffnung 20 durch Mn und die Inertanz des Tintenzuführdurchlasses 29 durch Ms, kann die Helmholtz-Resonanzfrequenz f der Druckkammer 28 ausgedrückt werden durch
f = 1/2π x {(Mn + Ms)/(Ci + Cv)(Mn · Ms)}
Wenn das Volumen der Druckkammer 28 durch V angezeigt wird, die Dichte der Tinte durch p und die Schallgeschwindigkeit in der Tinte durch c, kann die Nachgiebigkeit Ci ausgedrückt werden durch
Ci = V/pc²
Die Steifigkeit Cv der Druckkammer 28 stimmt mit der statischen Verformungsrate der Druckkammer 28 überein, die erhalten wird, wenn ein Druck der Einheit auf die Druckkammer 28 ausgeübt wird.
Bei der Erfindung werden das Saugen von Tinte aus dem Reservoir und das Ausstoßen von Tinte aus der Düsenöffnung unter Verwendung des piezoelektrischen Vibrators 21 des Longitudinalvibrationsmodus ausgeführt. Wenn die Druckkam mer des Tintenstrahlaufzeichnungskopfes eine Länge von 0,5 bis 2 mm, eine Breite von 0,1 bis 0,2 mm und eine Tiefe von 0,05 bis 0,3 mm aufweist, beträgt daher die Helmholtz-Resonanzfrequenz der Kammer 50 bis 200 kHz.
Mit anderen Worten, wenn das Volumen der Druckkammer durch den piezoelektrischen Vibrator des Longitudinalvibrationsmodus geändert werden soll, ist es ausreichend, daß der piezoelektrische Vibrator an seinem Spitzenende gegen die elastische Platte stößt, die die Druckkammer bildet, was zur Folge hat, daß der anstoßende Bereich sehr klein ist. Da die Druckkammer selbst viel größer in der Steifigkeit ist als der piezoelektrische Vibrator des Biegevibrationsmodus, ist es möglich, einen hohen Druck zu erzeugen. Als ein synergistischer Effekt dieser Phänomene kann Tinte einer ausreichenden Menge ausgestoßen werden, selbst wenn die Druckkammer so ausgelegt ist, daß sie sehr klein ist.
Da die Helmholtz-Resonanzfrequenz f sehr hoch ist, wie zuvor beschrieben, sind die Werte ωMn und ωMs, die jeweils durch Multiplikation der Trägheit (Impedanz) oder der Inertanzen der Düsenöffnung 20 und des Tintenzuführdurchlasses. 29 mit der Winkelfrequenz ω = 2πf der Helmholtz- Resonanzfrequenz f erzielt werden, größer als die Viskositätswiderstände Rn und Rs der Düsenöffnung 20 und des Tintenzuführdurchlasses 29. Als Folge davon bleibt die Energie erhalten.
Selbst wenn die Ausdehnung der Druckkammer gestoppt wird, bleibt daher die Tintenströmung in die Druckkammer durch die Trägheit erhalten, mit dem Ergebnis, daß der Meniskus die Bewegung aktiver ausführt.
Insbesondere wenn sich der piezoelektrische Vibrator 21 zusammenzieht, um eine Kraft 40 auf die elastische Platte 24 auszuüben, die die Druckkammer 28 dazu veranlaßt, sich auszudehnen, wie in Fig. 4 gezeigt, wird ein negativer Druck in der Druckkammer 28 erzeugt, so daß eine Tintenströmung 41 vom Reservoir 30 zur Druckkammer 28 durch den Tintenzuführdurchlaß 29 erzeugt wird, und gleichzeitig wird eine Strömung 42 erzeugt, um den Meniskus 43 der Düsenöffnung 20 in Richtung der Druckkammer zu ziehen, wie in Fig. 4 (a) gezeigt.
Wenn, wie oben beschrieben, die Helmholtz-Resonanzfrequenz f der Druckkammer 28 so gewählt wird, daß sie 50 kHz oder höher beträgt, und die Inertanz der Düsenöffnung 20 insbesondere so gewählt wird, daß sie einen großen Wert aufweist, wird eine Trägheitsströmung 44 von Tinte vom Reservoir 30 zur Druckkammer 28 groß. Als Folge davon wird der Meniskus 43, der in Richtung der Druckkammer gezogen wurde, zurückgeschoben, um schnell in die Ausgangsposition zurückgebracht zu werden, d. h. die Position, in der er sich befindet, bevor sich die Druckkammer 28 ausdehnt, wie in Fig. 4 (b) gezeigt.
Zu dem Zeitpunkt, zu dem der Meniskus 43 in die Ausgangsposition zurückgebracht wird, wird eine Kraft 46 auf die elastische Platte 24 angewendet, so daß sich die Druckkammer 28 zusammenzieht, und ein ausgestoßener Tintentropfen 45 weist eine Form auf, die so kugelförmig wie möglich ist. Ebenfalls zu diesem Zeitpunkt besteht die oben beschriebene Trägheitsströmung 44, die zur Düsenöffnung 20 hin gerichtet ist. Daher verursacht die Kontraktion der Druckkammer 28, daß eine Tintenströmung 48 über die Trägheitsströmung gelagert wird, so daß der Tintentropfen, zu dem die Energie der Trägheitsströmung 44 hinzugefügt ist, ausgestoßen wird, wobei als Folge davon der Tintentropfen mit einer hohen Geschwindigkeit ausgestoßen wird, wie in Fig. 4 (c) gezeigt. Die Bezugsnummer 47 bezeichnet eine Tintenströmung, die zum Reservoir zurückkehrt.
Folglich ist die Zeitdauer vom Beginn der Tintensaugung bis zum Ausstoßzeitpunkt, wenn der ausgestoßene Tintentropfen eine Form aufweist, die so kugelförmig wie möglich ist, d. h. die Position des Meniskus in der Ruhephase, sehr kurz. Dementsprechend ist es möglich, die Dauer eines Druckzyklus, bestehend in der Tintensaugung und dem Tintenausstoß, zu verkürzen.
Andererseits ist der piezoelektrische Vibrator 21, wie oben beschrieben, so ausgelegt, daß er die Eigenfrequenz aufweist, die im wesentlichen der Helmholtz-Resonanzfrequenz f entspricht. Im Ausdehnungsschritt der Druckkammer oder dem Kontraktionsschritt des piezoelektrischen Vibrators und im Kontraktionsschritt der Druckkammer oder dem Ausdehnungsschritt des piezoelektrischen Vibrators werden eine Spannung, die in einer gleichförmigen Rate steigt und die Spannung, die in einer gleichförmigen Rate fällt, so angewendet, daß sie mit der Helmholtz-Resonanzfrequenz f oder für die Zeitdauer 1/f = τI und 1/f = τ2 (Fig. 5 (a)) übereinstimmen, wobei die Restvibration der elastischen Platte 24, die die Druckkammer 28 bildet, und die des piezoelektrischen Vibrators 21 auf ein Niveau unterdrückt werden können, das so niedrig wie möglich ist (Fig. 5 (b)). Nachdem ein Tintentropfen ausgestoßen ist, wird daher ebenfalls der Meniskus schnell stabilisiert (Fig. 5 (c)).
Wenn zum Beispiel die Helmholtz-Resonanzfrequenz der Druckkammer 28 so bestimmt wird, daß die 100 kHz beträgt, und die Dauer der Eigenvibration des piezoelektrischen Vibrators 21 so, daß sie 100 kHz beträgt, kann dementsprechend die Dauer des Tintentropfenausstoßes, d. h. die Antriebsfrequenz des Tintenstrahlaufzeichnungskopfes so eingestellt werden, daß sie 35 kHz als Höchstwert beträgt.
Wenn die Helmholtz-Resonanzfrequenz f der Druckkammer 28 so bestimmt wird, daß sie einen großen Wert aufweist, wie oben beschrieben, kann die Zeitdauer, die erforderlich ist, um den Meniskus nach der Ausdehnung der Druckkammer zur Düsenöffnung 20 zurückzubringen, verkürzt werden, indem die Wirkung der Trägheitsströmung verwendet wird, so daß kugelförmige Tintentropfen bei einem schnellen Zyklus ausgestoßen werden. Die Erfinder haben herausgefunden, daß, wenn die Inertanz Mn der Düsenöffnung 20 und die Inertanz Ms des Tintenzuführdurchlasses 29 optimiert werden, die Druckqualität weiter verbessert werden kann.
Je mehr das Verhältnis der Inertanz Mn der Düsenöffnung zur Summe (Mn + Ms) der Inertanz Mn der Düsenöffnung und der Inertanz Ms des Tintenzuführdurchlasses:
Mn/(Mn + Ms),
d. h. das Verhältnis der Trägheitsströmung auf der Seite der Düsenöffnungen ausgehend von 0,3 erhöht wird, desto mehr sind die Geschwindigkeit und das Volumen eines Tintentropfens im Verhältnis zum Inertanzverhältnis erhöht, wie in Fig. 6 gezeigt. Die Geschwindigkeit und das Volumen weisen einen Höchstwert auf, wenn das Verhältnis etwa 0,7 beträgt. Wenn das Inertanzverhältnis weiter gesteigert wird, nehmen sie stufenweise ab.
Wenn das Inertanzverhältnis Mn/(Mn + Ms) klein ist, ist die Rückkehrzeitdauer konstant, so weit sich der Meniskus aufgrund der Ausdehnung der Druckkammer 28 nur in der Nähe der Düsenplatte 27 bewegt, und daher wird die Antriebsfrequenz nicht stark verringert. Im Gegensatz dazu bewegt sich der Meniskus, wenn das Inertanzverhältnis 0,5 oder weniger beträgt, von der Düsenplatte 27 fort, um in die Druckkammer 28 einzutreten, so daß die Zeitdauer, die für die Rückkehr erforderlich ist, sehr verlängert wird, mit dem Ergebnis, daß die Antriebsfrequenz stark verringert wird.
Die Erfindung verwendet dieses Phänomen positiv. Um die Geschwindigkeit und das Volumen eines Tintentropfens auf einem Niveau zu halten, das unter praktischem Gesichtspunkt ausreichend hoch ist, ohne die Antriebsfrequenz zu verringern, wird das Inertanzverhältnis Mn/(Mn + Ms) so gewählt, daß es 0,5 oder mehr beträgt, und vorzugsweise etwa 0,5 oder mehr und 0,7 oder weniger, und, wie oben beschrieben, wird die Helmholtz-Resonanzfrequenz so bestimmt, daß sie 50 kHz oder mehr beträgt, wobei die Bildung eines Tintentropfens in einer kugelförmigen Form erreicht wird, der durch Tintenausstoß, welcher in der Nähe einer Düsenöffnung durch die Wirkung der Trägheitsströmung verursacht wird, ausgestoßen wird.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform ist das Beispiel beschrieben worden, bei dem ein piezoelektrischer Vibrator Ausdehnung und Kontraktion in der Richtung verwendet, die senkrecht zur Anordnungsrichtung der elektrisch leitenden Schichten E ist, die zwischen den piezoelektrischen Materialien P gebildet sind. Wie ersichtlich kann ebenfalls die Anordnung, die in Fig. 7 gezeigt ist, bei der sich ein piezoelektrischer Vibrator 51 in den Richtungen ausdehnt und zusammenzieht, die parallel zur Richtung der schichtweisen Anordnung der elektrisch leitenden Schichten E ist, denselben Effekt erzielen.
Fig. 7 zeigt eine andere Ausführungsform eines Tintenstrahlaufzeichnungskopfes, auf den die Erfindung angewendet werden kann. In der Figur bezeichnet 51 piezoelektrische Vibratoren, die den Longitudinalvibrationsmodus aufweisen. Jeder der piezoelektrischen Vibratoren 51 weist eine Struktur auf, bei der ein piezoelektrisches Material P und eine elektrisch leitende Schicht E abwechselnd übereinander geschichtet sind, und er dehnt sich in der Richtung der schichtweisen Anordnung aus und zieht sich zusammen. Ein Ende des Vibrators ist an einem Sockel 50 befestigt, und das andere Ende stößt gegen eine elastische Platte 58.
Die Bezugsnummer 57 bezeichnet einen Rahmen, bei dem Reservoirs 55 und 56, die sich in der Anordnungsrichtung der piezoelektrischen Vibratoren 51 längs erstrecken, jeweils an beiden Seiten gebildet sind, wodurch die piezoelektrischen Vibratoren 51 zwischen denselben angeordnet sind. Die elastische Platte 58 ist auf der Oberseite des Rahmens angebracht. Es sind Fenster 59 und 60 für die Zuführung von Tinte zur Druckkammer 70 gebildet, die später beschrieben werden.
Die Bezugsnummer 61 bezeichnet eine Kanalplatte, in der Schlitze geöffnet sind, die als Druckkammern 70 dienen, um die Reservoirs 55 und 56 an beiden Seiten und in Übereinstimmung mit der Anordnung der piezoelektrischen Vibratoren 51 zu erreichen, wobei Kanäle für die Zuführung von Tinte zu Druckkammern 65 durch Tintenzuführdurchlässe 71 gebildet werden. Die Bezugsnummer 63 bezeichnet eine Düsenplatte, die die anderen Seiten der Kanalplatte 61 verschließt und in der Düsenöffnungen 64 in Positionen geöffnet sind, die den piezoelektrischen Vibratoren 51 gegenüberliegen.
In derselben Weise wie oben beschrieben wird die Helmholtz- Resonanzfrequenz f der Druckkammer 70 so gewählt, daß sie etwa 50 bis 200 kFz beträgt, und die Eigenfrequenz der piezoelektrischen Vibratoren 51 so, daß sie der Helmholtz- Resonanzfrequenz f der Druckkammern 70 entspricht.
Gemäß dieser Anordnung wird ein negativer Druck in der Druckkammer 65 erzeugt, wenn sich der piezoelektrische Vibrator 51 zusammenzieht, um die elastische Platte 58 dazu zu veranlassen, eine Kraft 73 in der Richtung zu erzeugen, in der sich die Druckkammer 65 ausdehnt, so daß auf beiden Seiten Tintenströmungen 74 von den Reservoirs 55 und 56 durch die Tintenzuführdurchlässe 71 zur Druckkammer 65 erzeugt werden, und gleichzeitig wird eine Strömung 75 erzeugt, um den Meniskus 72 der Düsenöffnung 64 in Richtung der Druckkammer zu ziehen (Fig. 8 (a)).
Wenn, wie oben beschrieben, die Helmholtz-Resonanzfrequenz f der Druckkammer 65 so gewählt wird, daß sie 50 kHz oder mehr beträgt, und die Inertanz der Tintenzuführdurchlässe 71 insbesondere so gewählt wird, daß sie einen großen Wert aufweist, werden Tintenträgheitsströmungen 74 von den Reservoirs 55 und 56 zur Druckkammer 65 groß. Als Folge wird der Meniskus 72, der in Richtung der Druckkammer gezogen wurde, zurückgedrückt, um schnell in die Ausgangsposition zurückgebracht zu werden, d. h. die Position, in der sich der Meniskus befindet, bevor sich die Druckkammer 65 ausdehnt (Fig. 8 (b)).
Zu dem Zeitpunkt, zu dem der Meniskus 72 in die Ausgangsposition zurückgebracht wird, wird eine Kraft 77 auf die elastische Platte 58 angewendet, so daß sich die Druckkammer 65 zusammenzieht, und ein ausgestoßener Tintentropfen 80 weist dann eine Form auf, die so kugelförmig wie möglich ist. Zu diesem Zeitpunkt besteht ebenfalls die oben beschriebene Trägheitsströmung 76 in Richtung der Düsenöffnung 64. Daher verursacht die Kontraktion der Druckkammer 65, daß eine Tintenströmung über die Trägheitsströmung gelagert wird, so daß der Tintentropfen, zu dem die Energie der Trägheitsströmung 76 hinzugefügt ist, ausgestoßen wird, wobei als Folge davon der Tintentropfen mit einer hohen Geschwindigkeit ausgestoßen wird (Fig. 8 (c)). Die Bezugsnummer 78 bezeichnet Tintenströmungen, die zu den Reservoirs 55 und 56 auf beiden Seiten zurückkehren.
Folglich ist die Zeitdauer vom Beginn der Tintensaugung bis zum Ausstoßzeitpunkt, wenn der ausgestoßene Tintentropfen eine Form aufweist, die so kugelförmig wie möglich ist, d. h. die Position des Meniskus in der Ruhephase, sehr kurz. Dementsprechend ist es möglich, die Dauer eines Druckzyklus, bestehend in der Tintensaugung und dem Tintenausstoß, zu verkürzen.
Andererseits ist der piezoelektrische Vibrator 51, wie oben beschrieben, so ausgelegt, daß er die Eigenfrequenz aufweist, die im wesentlichen der Helmholtz-Resonanzfrequenz f entspricht. Im Ausdehnungsschritt der Druckkammer oder dem Kontraktionsschritt des piezoelektrischen Vibrators 51 und im Kontraktionsschritt der Druckkammer oder dem Ausdehnungsschritt des piezoelektrischen Vibrators werden eine Spannung, die in einer gleichförmigen Rate abfällt, und die Spannung, die in einer gleichförmigen Rate ansteigt, so angewendet, daß sie mit der Helmholtz-Resonanzfrequenz f oder für die Dauer 1/f = τ1 und 1/f = τ2 (Fig. 9 (a)) übereinstimmen, wobei die Restvibration der elastischen Platte 58, die die Druckkammer 65 bildet, und die des piezoelektrischen Vibrators 51 auf ein Niveau unterdrückt werden können, das so niedrig wie möglich ist (Fig. 9 (b)). Nachdem ein Tintentropfen ausgestoßen ist, wird daher ebenfalls der Meniskus schnell stabilisiert (Fig. 9 (c)).
Wenn das Verhältnis der Inertanz Mn der Düsenöffnung 64 zur Summe (Mn + Ms') der Inertanz Mn der Düsenöffnung und die Gesamtinertanz Ms' der zwei Tintenzuführdurchlässe 71, Mn/(Mn + Ms'), d. h. das Verhältnis der Trägheitsströmung auf der Seite der Düsenöffnung, stufenweise gesteigert wird, beginnend bei 0,3, nehmen die Geschwindigkeit und das Volumen eines Tintentropfens im Verhältnis zu. Die Geschwindigkeit und das Volumen sind auf einem Höchstwert, wenn das Verhältnis etwa 0,7 beträgt. Wenn das Inertanzverhältnis weiter gesteigert wird, nehmen sie stufenweise ab.
Wenn das Inertanzverhältnis groß ist, ist die Rückkehrzeitdauer konstant, so weit sich der Meniskus 72 aufgrund der Ausdehnung der Druckkammer 65 nur in der Nähe der Düsenplatte 63 bewegt, und daher wird die Antriebsfrequenz nicht stark verringert. Wenn im Gegensatz dazu das Inertanzverhältnis 0,7 übersteigt, wird die Zeitdauer, die für die Stabilisierung des Meniskus erforderlich ist, um den Wert verlängert, der der Verringerung des Dämpfungsfaktors der Vibration des Meniskus entspricht, mit dem Ergebnis, daß der Frequenzgang nicht verbessert wird und dazu neigt, gesättigt zu sein.
Das Inertanzverhältnis wird ausführlicher beschrieben.
Wenn das Inertanzverhältnis so bestimmt wird, daß es 0,5 oder weniger beträgt, nimmt der Kanalwiderstand der Tintenzuführdurchlässe 71, die mit der Druckkammer 65 in Verbindung stehen, zu, und daher wird die Bewegung des Meniskus 72, die nach dem Ausstoß eines Tintentropfens erzeugt wird, auf einfache Weise gedämpft. Gleichzeitig wird ebenfalls die Wirkung der Trägheitsströmung verringert, und daher wird der Einfluß der Trägheitsströmung, der auf die Bewegung in Richtung der Düsenöffnung ausgeübt wird, verringert, so daß die Bewegungsgeschwindigkeit des Meniskus verringert wird.
Als Folge wird die Zeitdauer, in der der Meniskus 72 in die Position zurückgebracht wird, in der ein Tintentropfen ausgestoßen werden kann, oder die neutrale Position, verlängert und der Frequenzgang verringert. Gleichzeitig wird die kinetische Energie um den Wert verringert, der der Verringerung des Einflusses der Trägheitsströmung entspricht, so daß das Volumen und die Fluggeschwindigkeit des ausgestoßenen Tintentropfens verringert werden.
Wenn im Gegensatz dazu das Inertanzverhältnis so bestimmt wird, daß es 0,7 oder mehr beträgt, wird der Kanalwiderstand der Tintenzuführdurchlässe 71, die mit der Druckkammer 65 in Verbindung stehen, verringert, und daher wird die Rückkehrgeschwindigkeit des Meniskus erhöht. Jedoch übersteigt die Trägheitsströmung die neutrale Position des Düsenmeniskus oder schießt über sie hinaus, so daß die Vibration des Meniskus schwankt. Wie oben beschrieben, wird die Zeitdauer, die für die Stabilisierung des Meniskus erforderlich ist, um den Wert verlängert, der der Verringerung des Dämpfungsfaktors der Vibration des Meniskus entspricht, mit dem Ergebnis, daß der Frequenzgang gesättigt ist.
Obwohl die Wirkung der Trägheitsströmung gesteigert wird und die Rückkehrgeschwindigkeit des Meniskus gesteigert wird, ist die Bewegungsenergie überschüssig, so daß der Meniskus 72 über die Düsenöffnung 64 übersteht. Folglich wird die Umgebung der Düsenöffnung der Düsenplatte 63 von Tinte angefeuchtet. Die Verringerung des Dämpfungsfaktors des Meniskus 72 verursacht Vibration aufgrund der Bewegung des Schlittens, die auf einfache Weise den Meniskus 72 beeinflußt und die Position des Meniskus 72 unstabil macht. Schließlich beeinträchtigen diese Phänomene die Druckqualität.
Wenn im Gegensatz dazu das Inertanzverhältnis Mn/(Mn + Ms') so bestimmt wird, daß es sich im Bereich von 0,5 bis 0,7 bewegt, ist die Wartezeit vom Abschluß der Kontraktion des piezoelektrischen Vibrators 51 bis zum Beginn der Ausdehnung des piezoelektrischen Vibrators 51, d. h. die Zeitdauer, die dafür erforderlich ist, daß der Meniskus 72, der eingezogen wurde, in die neutrale Position der Düsenöffnung zurückgebracht wird, ungefähr gleich dem Kehrwert (1/f) der Helmholtz-Resonanzfrequenz f. Wenn der Meniskus 72 für die Zeitdauer von 1/f in die neutrale Position zurückgebracht worden ist, wird die Vibration aufgrund der nachfolgenden Ausdehnung des piezoelektrischen Vibrators 51 überlagert, so daß die Energie, die auf den Meniskus 72 ausgeübt wird, gesteigert wird. Als Folge davon werden das Volumen und die Ausstoßgeschwindigkeit eines Tintentropfens erhöht und die Tintentrennung wird zufriedenstellend ausgeführt, wobei der Tintentropfen in eine kugelförmige Form geformt wird.
Daher ist es, wie oben beschrieben, vorzuziehen, das Inertanzverhältnis so zu bestimmen, daß es 0,5 oder mehr beträgt, und vorzugsweise, daß es sich im Bereich von 0,5 bis 0,7 bewegt, und daß die Helmholtz-Resonanzfrequenz so bestimmt wird, daß sie 50 kHz oder mehr beträgt, so daß die Trägheitsströmung wirkungsvoller auf den Meniskus einwirkt, wobei ein Tintentropfen zu dem Zeitpunkt ausgestoßen wird, zu dem sich der Meniskus 72 in einer Position der Düsenöffnung 64 befindet, die so weit wie möglich nach außen gelegen ist.
Wenn die Helmholtz-Resonanzfrequenz der Druckkammer 65 bei der Ausführungsform so bestimmt ist, daß sie 100 kHz beträgt, und die Eigenfrequenz des piezoelektrischen Vibrators 51 so bestimmt ist, daß sie 100 kHz beträgt, kann die Ausstoßdauer von Tintentropfen, d. h. die Antriebsfrequenz des Tintenstrahlaufzeichnungskopfes, so bestimmt werden, daß sie 35 kHz als Höchstwert beträgt.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform sind die Kontraktionszeitdauer des piezoelektrischen Vibrators für das Saugen von Tinte in die Druckkammer und die Ausdehnungszeitdauer des piezoelektrischen Vibrators für das Ausstoßen eines Tintentropfens gleich der Dauer der Eigenvibration des piezoelektrischen Vibrators gemacht. In dem Fall, in dem die Länge des piezoelektrischen Vibrators klein ist, so daß die Dauer der Eigenvibration sehr kurz ist, sind die erforderlichen Zeitspannen für die Ausdehnung und die Kontraktion des piezoelektrischen Vibrators so bestimmt; daß sie länger als das Doppelte der Dauer der Eigenvibration des piezoelektrischen Vibrators sind und gleich dem Kehrwert (1/f) der Helmholtz-Resonanzfrequenz f. Dies ermöglicht die Erhaltung von Energie im piezoelektrischen Vibrator aufgrund von Resonanz, die positiver zu vermeiden ist. Ebenfalls können, wenn ein Aufzeichnungskopf mit einer Reihe von piezoelektrischen Vibratoren ausgelegt ist, Veränderungen in den Antriebsenergien der piezoelektrischen Vibratoren ausgeschaltet werden, die durch Veränderungen der Eigenfrequenzzeitspannen der piezoelektrischen Vibratoren verursacht werden können, wodurch die Druckqualität stabilisiert wird.
Wie oben beschrieben, wird gemäß der Erfindung der Tintenstrahlaufzeichnungskopf verwendet, der umfaßt: eine Druckkammer, die mit einer Düsenöffnung einer Düsenplatte und mit einem Reservoir durch einen Tintenzuführdurchlaß in Verbindung steht; und einen piezoelektrischen Vibrator zur Erzeugung einer Volumenverschiebung in der Druckkammer als Reaktion auf ein Antriebssignal, wobei die Inertanz Mn der Düsenöffnung und die Inertanz Ms des Tintenzuführdurchlasses das Verhältnis 0,5 < Mn/(Mn + Ms) aufweisen. Daher wird der Meniskus durch eine Trägheitsenergie, die auf die Tintensaugung an der Druckkammer zurückzuführen ist, schnell zur Düsenöffnung zurückgebracht, so daß der Tintenausstoß in der Nähe der Außenseite der Düsenöffnung ausgeführt wird, wobei der Ausstoß eines Tintentropfens ermöglicht wird, der im wesentlichen kugelförmig ist.
Wenn die Kontraktionszeitdauer eines piezoelektrischen Vibrators für das Saugen von Tinte in die Druckkammer und eine Ausdehnungszeitdauer des piezoelektrischen Vibrators für den Ausstoß eines Tintentropfens aus der Düsenöffnung so bestimmt werden, daß sie 1/f betragen (wobei f die Helmholtz-Resonanzfrequenz ist), wird die Restvibration des Meniskus verringert, so daß ein Punkt gebildet wird, der im wesentlichen kreisförmig ist, während die Druckgeschwindigkeit verbessert wird, wobei die Druckqualität verbessert wird.

Claims

1. Tintenstrahlaufzeichnungskopf mit:

einer Druckkammer (28) in Verbindung mit einer Düsenöffnung (20) einer Düsenplatte (27) und mit einem Reservoir (30) durch einen Tintenzuführdurchlaß (29); und Verschiebungserzeugungsmitteln, um als Reaktion auf ein Antriebssignal eine Volumenverschiebung in der Druckkammer (28) zu erzeugen, wobei eine Inertanz Mn der Düsenöffnung (20) und eine Inertanz Ms des Tintenzuführdurchlasses (29) folgende Beziehung aufweisen:

0,5 < Mn/(Mn + Ms).

2. Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß Anspruch 1, wobei das Verschiebungserzeugungsmittel einen Longitudinalvibrationsmodus aufweist und beim Zusammenziehen des Verschiebungserzeugungsmittels Tinte aus dem Reservoir (30) in die Druckkammer (28) gesaugt wird und beim Ausdehnen des Verschiebungserzeugungsmittals ein Tintentropfen (45) aus der Düsenöffnung (20) ausgestoßen wird.

3. Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei eine Eigenfrequenz des Verschiebungserzeugungsmittels der Helmholtz- Resonanzfrequenz der Druckkammer (28) entspricht.

4. Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei eine Eigenfrequenz des Verschiebungserzeugungsmittels höher als das Doppelte der Helmholtz-Resonanzfrequenz der Druckkammer (28) ist.

5. Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Kontraktionszeitdauer des Verschiebungserzeugungsmittels zum Saugen von Tinte in die Druckkammer (28) und eine Ausdehnungszeitdauer des Verschiebungserzeugungsmittels zum Ausstoßen eines Tintentropfens (45) aus der Düsenöffnung (20) so bestimmt sind, damit sie 1/f betragen, wobei f die Helmholtz-Resonanzfrequenz der Druckkammer (28) ist.

6. Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Kontraktionszeitdauer des Verschiebungserzeugungsmittels zum Saugen von Tinte in die Druckkammer (28) und eine Ausdehnungszeitdauer des Verschiebungserzeugungsmittels zum Ausstoßen eines Tintentropfens (45) aus der Düsenöffnung (20) so bestimmt sind, damit sie größer als das Doppelte einer Dauer einer Eigenvibration des Verschiebungserzeugungsmittels und gleich 1/f sind, wobei f die Helmholtz-Resonanzfrequenz der Druckkammer (28) ist.

7. Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Inertanz Mn der Düsenöffnung (20) und die Inertanz Ms des Tintenzuführdurchlasses (29) folgende Beziehung erfüllen:

0,5 < Mn/(Mn + Ms) < 0,7.

8. Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Helmholtz- Resonanzfrequenz f der Druckkammer 50 kHz oder höher ist.

9. Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Helmholtz- Resonanzfrequenz f der Druckkammer 100 kHz oder höher ist.