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Querverweis auf verwandte
Anmeldungen
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Diese
Anmeldung bezieht sich auch auf die ebenfalls anhängige
U.S.-Patentanmeldung Nr. 11/699,720, eingereicht am 29. Januar 2007,
die hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
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Hintergrund
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Ladungsemissionsvorrichtungen
werden in einer breiten Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen eingesetzt.
Ladungsaufbringungsdruckköpfe z. B. werden in elektrostatischen
Bilderzeugungsvorrichtungen verwendet, um ein elektrostatisches
latentes Bild auf einer dielektrischen Bilderzeugungsoberfläche
zu erzeugen, indem Strahlen geladener Teilchen auf die Bilderzeugungsoberfläche
gerichtet werden. Das elektrostatische latente Bild wird unter Verwendung
elektrostatischer Toner oder Pigmente, die selektiv zu dem elektrostatischen
latenten Bild auf der Bilderzeugungsoberfläche angezogen
werden, in ein sichtbares Bild entwickelt. Bei derartigen Ladungsaufbringungsdruckköpfen
wird ein HF-Signal von bis zu mehreren Tausend Volt über
eine Mehrzahl von Paaren von Erzeugerelektroden und Entladungselektroden,
die durch einen elektrischen Isolator getrennt sind, angelegt. Die
Erzeugerelektroden und die Entladungselektroden sind typischerweise orthogonal
zueinander angeordnet. Das angelegte Signal erzeugt örtlich
begrenzte Ladungsquellregionen, die an oder nahe bei Kreuzungspunkten
zwischen den Erzeugerelektroden und den Entladungselektroden angeordnet
sind. Ein elektrischer Luftspaltdurchschlag zwischen der Entladungselektrode
und dem elektrischen Isolator erzeugt elektrische Ladungsträger,
die durch Öffnungen in den Entladungselektroden emittiert
und in Richtung der Bilderzeugungsoberfläche gerichtet
werden, wo die Ladungen abgelagert werden. Die Druckköpfe
sind so konfiguriert, dass die durch jede Öffnung abgelagerte Ladung
ein Pixel oder punktartiges latentes Ladungsbild auf der Bilderzeugungsoberfläche
erzeugt, wenn sich dieselbe an dem Druckkopf vorbei bewegt.
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Im
Allgemeinen besteht ein fortwährender Drang, die Geschwindigkeit
und die räumliche Auflösung, mit der Ladungsemissionsvorrichtungen
Ladung aufbringen können, zu erhöhen. Ein Erhöhen der
Ladungsemissionsgeschwindigkeit erfordert einen linearen Anstieg
des erforderlichen Ladestroms. Ein Erhöhen der räumlichen
Auflösung andererseits erfordert ein Reduzieren der Größe
der Entladungselektrodenöffnung, was zu einem gleichzeitigen
Rückgang des Ladestroms führt. Für elektrostatische Druckanwendungen
mit hoher Auflösung wird eine zusätzliche Abschirmelektrodenöffnung
benötigt, um die geladenen Teilchen zu fokussieren. Eine
derartige Abschirmelektrodenöffnung erlegt in Abhängigkeit von
dem extrahierenden Feld einen zusätzlichen Rückgang
des Stroms von bis zu 50% bis 75% auf. Versuche, die Ladungsaufbringungsgeschwindigkeit und
räumliche Auflösung durch Erhöhen des
Ladestroms zu erhöhen, schlagen oftmals aufgrund von Wärmeausfällen
und Verlust an Zuverlässigkeit des ladungsemittierenden
Druckkopfs fehl.
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Benötigt
werden verbesserte Ladungsemissionsvorrichtungen, die in der Lage
sind, geladene Teilchen mit einer hohen Rate und einer hohen räumlichen
Auflösung zu emittieren.
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Zusammenfassung
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Bei
einem Aspekt weist die Erfindung eine Vorrichtung auf, die eine
Erzeugerelektrode, eine Entladungselektrode, die eine Öffnung
aufweist, eine dielektrische Struktur zwischen der Erzeugerelektrode
und der Entladungselektrode und eine Ladungsverteilungsstruktur
umfasst. Die dielektrische Struktur umfasst eine Laderegion unter
der Öffnung. Die Ladungsverteilungsstruktur befindet sich
auf einer Oberfläche der Laderegion, die der Öffnung
zugewandt ist. Die Ladungsverteilungsstruktur ist elektrisch von
der Erzeugerelektrode und der Entladungselektrode getrennt und verteilt
elektrische Ladungsträger über darunterliegende
Bereiche der Laderegion.
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Bei
einem weiteren Aspekt weist die Erfindung eine Vorrichtung auf,
die ein Bilderzeugungsbauteil und einen Ladungsaufbringungsdruckkopf umfasst.
Das Bilderzeugungsbauteil umfasst eine äußere
Bilderzeugungsoberfläche. Der Ladungsaufbringungsdruckkopf
umfasst ein Array von Ladungsemissionsorten, die jeweils eine Erzeugerelektrode, eine
Entladungselektrode, die eine Öffnung aufweist, eine dielektrische
Struktur zwischen der Erzeugerelektrode und der Entladungselektrode
und eine Ladungsverteilungsstruktur umfassen. Die dielektrische Struktur
umfasst eine Laderegion unter der Öffnung. Die Ladungsverteilungsstruktur
befindet sich auf einer Oberfläche der Laderegion, die
der Öffnung zugewandt ist. Die Ladungsverteilungsstruktur
ist elektrisch von der Erzeugerelektrode und der Entladungselektrode
getrennt und verteilt elektrische Ladungsträger über
darunterliegende Bereiche der Laderegion. Der Druckkopf ist konfiguriert,
um einen Strom von Ladungsträgern von der zumindest einen Entladungsöffnung
zu der Bilderzeugungsoberfläche zu richten und dadurch
ein elektrostatisches latentes Bild auf der Bilderzeugungsoberfläche
zu erzeugen.
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Bei
einem weiteren Aspekt weist die Erfindung ein Verfahren auf, demgemäß eine
Erzeugerelektrode auf einer ersten Oberfläche einer dielektrischen
Struktur bereitgestellt wird. Eine Entladungselektrode wird auf
einer zweiten Oberfläche der dielektrischen Struktur gegenüber
der ersten Oberfläche bereitgestellt. Die Entladungselektrode
weist eine Öffnung auf. Die dielektrische Struktur weist
eine Laderegion unter der Öffnung auf. Eine Ladungsverteilungsstruktur
wird auf einer Oberfläche der Laderegion, die der Öffnung
zugewandt ist, gebildet. Die Ladungsverteilungsstruktur ist elektrisch
von der Erzeugerelektrode und der Entladungselektrode getrennt und
verteilt elektrische Ladungsträger über darunterliegende
Bereiche der Laderegion.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung,
einschließlich der Zeichnungen und der Ansprüche
ersichtlich werden.
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Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer Ladungsemissionsvorrichtung, die
eine Erzeugerelektrode, eine Entladungselektrode und eine dielektrische
Struktur umfasst.
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2 ist
ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens
zum Herstellen der Ladungsemissionsvorrichtung aus 1.
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3 ist
eine schematische Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels
eines in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels
der Ladungsemissionsvorrichtung.
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4 ist
eine schematische Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels
eines in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels
der Ladungsemissionsvorrichtung.
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5 ist
eine schematische Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels
eines in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels
der Ladungsemissionsvorrichtung.
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6 ist
eine schematische Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels
eines in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels
der Ladungsemissionsvorrichtung.
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7 ist
eine schematische Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels
eines in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels
der Ladungsemissionsvorrichtung.
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8 ist
eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der
Ladungsemissionsvorrichtung aus 1, das eine
Abschirmelektrode umfasst.
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9 ist
eine schematische perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels
eines elektrostatischen Druckkopfs, das ein Ausführungsbeispiel
der Ladungsemissionsvorrichtung aus 1 umfasst.
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10 ist
ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer Bildübertragungsvorrichtung.
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11 ist
eine schematische Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels
der Bildübertragungsvorrichtung aus 10.
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12 ist
eine Querschnittsseitenansicht eines Ausführungsbeispiels
eines Ladungsemissionsorts eines elektrostatischen Druckkopfs benachbart zu
einer Bilderzeugungsoberfläche der Bildübertragungsvorrichtung
aus 11.
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Detaillierte Beschreibung
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In
der folgenden Beschreibung werden gleiche Bezugszeichen verwendet,
um gleiche Elemente zu identifizieren. Ferner sollen die Zeichnungen Hauptmerkmale
exemplarischer Ausführungsbeispiele in einer schematischen
Art und Weise darstellen. Die Zeichnungen sollen nicht jedes Merkmal
tatsächlicher Ausführungsbeispiele oder relative
Abmessungen der dargestellten Elemente darstellen und sind nicht
maßstabsgetreu.
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I. EINFÜHRUNG
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel einer Ladungsemissionsvorrichtung 10,
die eine Erzeugerelektrode 12, eine Entladungselektrode 14 und
eine dielektrische Struktur 16 zwischen der Erzeugerelektrode 12 und
der Entladungselektrode 14 umfasst. Die Entladungselektrode 14 weist
eine Öffnung 18 auf. Die dielektrische Struktur 16 umfasst
eine Laderegion 20 unter der Öffnung 18.
Die Ladungsemissionsvorrichtung 10 umfasst zusätzlich
eine Ladungsverteilungsstruktur 22 auf einer Oberfläche
der Laderegion, die der Öffnung 18 zugewandt ist.
Die Ladungsverteilungsstruktur 22 ist elektrisch von der
Erzeugerelektrode 12 und der Entladungselektrode 14 getrennt.
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Die
Entladungselektrode 14 ist typischerweise aus Stahl oder
einem hochschmelzenden Metall (z. B. Wolfram, Molybdän,
Tantal, Niobium und Chrom) oder einer Metalllegierung gebildet.
Die Öffnung 18 besitzt typischerweise eine kreisförmige Form
und ist über der Erzeugerelektrode 12 angeordnet.
Die Erzeugerelektrode 12 kann aus einer breiten Vielzahl
unterschiedlicher Materialien gebildet sein, einschließlich,
jedoch ohne Einschränkung, eines Metalls (z. B. Gold, Kupfer,
Wolfram, Molybdän, Tantal, Niobium und Chrom) und einer
Metalllegierung.
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Die
dielektrische Struktur 16 ist typischerweise aus einer
oder mehreren elektrisch isolierenden Schichten gebildet. Bei einigen
exemplarischen Ausführungsbeispielen ist die dielektrische
Struktur 16 aus einer oder mehreren Schichten aus Glimmer, Glas
oder Silikon gebildet. Die Dicke der dielektrischen Struktur 16 ist
typischerweise in der Größenordnung von 25 Mikrometern
(μm). Unter der Annahme, dass eine dielektrische Struktur
eine Dielektrizitätskonstante von 5 aufweist, beträgt
die äquivalente elektrische Dicke der dielektrischen Struktur 16 etwa 5 μm.
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Die
Ladungsverteilungsstruktur 22 umfasst ein elektrisch leitendes
Material, das elektrische Ladungsträger über die
darunterliegenden Bereiche der Laderegion 20 verteilt.
Die Ladungsverteilungsstruktur 22 kann eine oder mehrere
Schichten eines beliebigen einer breiten Vielzahl unterschiedlicher
elektrisch leitender Materialien umfassen, einschließlich, jedoch
ohne Einschränkung, eines Metalls (z. B. Aluminium, Kupfer,
Wolfram, Molybdän, Tantal, Niobium, Chrom, Zink, Platin,
Titan oder Gold), einer Metalllegierung, eines elektrisch leitenden
Oxids (z. B. Zinnoxid oder Indium-Zinn-Oxid) und eines elektrisch
leitenden Halbleitermaterials (z. B. eines dotierten Halbleiters,
wie z. B. Germanium, Silizium und Galliumarsenid).
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Bei
einigen Ausführungsbeispielen ist die Ladungsverteilungsstruktur 22 eine
Mehrschichtstruktur, die zumindest eine Adhäsionsschicht
und zumindest eine darüberliegende Schicht umfasst. Die
Adhäsionsschicht ist typischerweise aus einem Material (z.
B. Titan oder Chrom) gebildet, das die Adhäsion der darüberliegenden
Schicht an der Oberfläche der dielektrischen Struktur 16 fördert.
Die darüberliegende Schicht ist typischerweise aus einem
Material gebildet, das eine oder mehrere Eigenschaften aufweist,
die die Funktionsweise der Ladungsemissionsvorrichtung schützen
oder verbessern. Bei einigen Ausführungsbeispielen ist
z. B. die darüberliegende Schicht aus Platin und/oder Gold
gebildet, um eine chemisch träge Oberfläche bereitzustellen,
die der Bildung von Oxiden widersteht, die andernfalls eine Ladungsneuverteilung
behindern könnten. Bei einigen Ausführungsbeispielen
ist die darüberliegende Schicht aus Rhodium und/oder Platin
gebildet, um katalytische Eigenschaften bereitzustellen, die der Bildung
von Ablagerungen (z. B. Ablagerungen auf Stickstoffbasis) auf der
Oberfläche widerstehen. Bei einigen Ausführungsbeispielen
ist die darüberliegende Schicht aus Wolfram, Molybdän,
Tantal, Niobium und/oder Chrom gebildet, um eine Oberfläche
bereitzustellen, die resistent gegenüber Zerstäubung durch
Innenbombardierung ist. Bei einigen Ausführungsbeispielen
ist die darüberliegende Schicht aus einem Material, wie
z. B. Zink oder Tantal, gebildet, das eine kleine Austrittsarbeit
aufweist und dadurch eine Ladungsemission verbessern kann.
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Bei
einigen Ausführungsbeispielen umfasst die Ladungsverteilungsstruktur
22 ladungsemittierende
Oberflächenmerkmale, die die Emission von Ladungsträgern
in die Öffnung
18 erhöhen. Bei einigen
dieser Ausführungsbeispiele entsprechen die Oberflächenmerkmale
rauen Oberflächenbereichen eines elektrisch leitenden Materials,
das unter Verwendung eines Aufbringungsverfahrens (z. B. eines chemischen
Aufdampfungsverfahrens (CVD-Verfahren; CVD = chemical vapor deposition)
oder eines Zerstäubungsverfahrens), das konfiguriert ist,
um eine raue Oberfläche zu erzeugen, auf die dielektrische
Struktur
16 aufgebracht wird. Bei anderen dieser Ausführungsbeispiele
entsprechen die Oberflächenmerkmale Vorsprüngen,
die sich in Richtung der Öffnung
18 erstrecken.
Bei einigen Ausführungsbeispielen sind die Vorsprünge
scharfe kegelförmige oder nadelförmige Ausstülpungen,
die auf einer oder mehreren Schichten eines elektrisch leitenden
Materials gemäß einem oder mehreren der Verfahren,
die in den
U.S.-Patenten Nr.
3,789,471 und
6,362,574 beschrieben
sind, gebildet sind. Bei anderen Ausführungsbeispielen
sind die Vorsprünge Nanoröhrchen, die auf einer
oder mehreren Schichten eines elektrisch leitenden Materials gemäß einem
oder mehreren der Verfahren, die in den
U.S.-Patenten Nr. 6,812,634 und
6,741,017 beschrieben sind,
gebildet sind.
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In
Betrieb legt eine Spannungsquelle 24 ein Hochfrequenz-(HF-)Spannungssignal über
die Erzeugerelektrode 12 und die Entladungselektrode 14 an.
Ladungsträger werden anfangs erzeugt, wenn das elektrische
Feld zwischen der Entladungselektrode 14 und der dielektrischen
Struktur 16 die minimale elektrische Paschen-Durchschlag-Feldstärke für
den Umgebungsdruck erreicht. Das Einleitungsereignis in dem Entladungsvorgang 26 beinhaltet
typischerweise die Feldemission eines Elektrons von der Entladungselektrode 14 an
einem Ort, an dem der Spalt zwischen der Entladungselektrode 14 und der
dielektrischen Struktur 16 am kleinsten ist. Der Ladungsträgererzeugungsvorgang 26 geht
durch eine Lawinenladungsmultiplikation selbst bei niedrigeren elektrischen
Feldstärken weiter. Der elektrische Durchschlag bewirkt,
dass sich ein gasförmiges Plasma geladener Teilchen 28 (d.
h. Ionen und Elektronen) bildet. Die geladenen Teilchen 28 entweichen durch
die Öffnung 18.
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Während
des Ladungsträgererzeugungsvorgangs 26 verteilt
die Ladungsverteilungsstruktur 22 elektrische Ladungsträger
(zeigt sich schematisch als Punkte in der Laderegion 20) über
darunterliegende Bereiche der Laderegion 20. Durch ein
Neuverteilen von Ladungsträgern weg von den Minima in dem Spalt
zwischen der Entladungselektrode 14 und der dielektrischen
Struktur 16 ermöglicht es die Ladungsverteilungsstruktur 22,
dass eine größere Ladung in der dielektrischen
Struktur 16 und dem plasmagefüllten Raum zwischen
der dielektrischen Struktur 16 und der Entladungselektrode 14 pro
HF-Zyklus gespeichert wird, und erhöht dadurch die Strompegel, die
durch die Ladungsemissionsvorrichtung 10 für einen
bestimmten HF-Spannungsumschwung erzeugt werden können.
Zusätzlich koppelt die Ladungsverteilungsstruktur 22 durch
Bereitstellen einer Äquipotentialoberflächenregion
die elektrischen Felder von der Erzeugerelektrode 12 effizienter
in den geladenen Raum über der Ladungsverteilungsstruktur 22, wodurch
ein Ladungsausstoß aus diesem Raum durch die Entladungselektrodenöffnung 18 erleichtert wird.
Auf diese Weise sind Ausführungsbeispiele der Ladungsemissionsvorrichtung 10 in
der Lage, eine Ladungsteilchenemission mit sowohl hoher Rate als auch
hoher räumlicher Auflösung zu erzeugen.
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2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Herstellen
der Ladungsemissionsvorrichtung 10. Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel wird die Erzeugerelektrode 12 auf
einer ersten Oberfläche der dielektrischen Struktur 16 bereitgestellt (2,
Block 30). Die Entladungselektrode 14 wird auf
einer zweiten Oberfläche der dielektrischen Struktur 16 gegenüber
der ersten Oberfläche bereitgestellt (2,
Block 32). Die Ladungsverteilungsstruktur 22 wird
auf einer Oberfläche der Laderegion 20, die der Öffnung 18 zugewandt
ist, gebildet (2, Block 34).
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II. EXEMPLARISCHE AUSFÜHRUNGSBEISPIELE VON
LADUNGSEMISSIONSVORRICHTUNGEN
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3 zeigt
ein Ausführungsbeispiel 40 der Ladungsemissionsvorrichtung 10,
das eine Entladungselektrode 42 umfasst, die eine kegelförmig spitz
zulaufende Öffnung 44 aufweist. Die Öffnung 44 ist
durch spitz zulaufende Seitenwände 46, die über einer
Unterschnittregion 48 liegen, definiert. Die Unterschnittregion 48 ist
durch eine Entladungsoberfläche 50 definiert,
die parallel zu der oberen Oberfläche der dielektrischen
Struktur 16 und von der oberen Oberfläche der
dielektrischen Struktur 16 um eine Strecke h beabstandet
ist. Die Unterschnittregion 48 erstreckt sich eine Strecke 1 unter
die Entladungselektrode 42.
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Die
Strecke (h) zwischen der Entladungsoberfläche und der darunterliegenden
oberen Oberfläche der dielektrischen Struktur 16 entspricht
typischerweise der kleinsten Strecke, die die Entladungselektrode 42 von
der dielektrischen Struktur 16 trennt, und entspricht deshalb
dem Ort, an dem die größten elektrischen Feldstärken
während des Betriebs erzeugt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen
ist die Strecke h gleich der minimalen Paschen-Spalt-Strecke für
einen spezifizierten Umgebungsdruckpegel eingestellt, bei dem die
Ladungsemissionsvorrichtung 40 betrieben wird. Wenn z.
B. ein spezifizierter Betriebsumgebungsdruckpegel gleich dem atmosphärischen
Druck ist, ist die Strecke h auf 4 μm eingestellt. Bei
einigen Ausführungsbeispielen ist die Strecke 1 in
etwa größer oder gleich der Strecke h. So ist
bei diesen Ausführungsbeispielen, wenn die Strecke h 4 μm
beträgt, die Strecke 1 auf zumindest etwa 4 μm
eingestellt.
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Bei
einigen Ausführungsbeispielen ist die Unterschnittregion
48 durch
selektives Ätzen der Entladungselektrode
42 unter
Verwendung von z. B. einem nasschemischen Ätzvorgang oder
einem Plasmaätzvorgang gebildet. Bei anderen Ausführungsbeispielen
ist die Unterschnittregion
48 der Entladungselektrode
42 unter
Verwendung eines abgestuften Dorns gebildet. Bei einigen dieser
Ausführungsbeispiele z. B. werden die Beabstandungsstrecke
h und die Erstreckungsstrecke
1 durch einen abgestuften
Dorn gemäß dem Elektroformungsvorgang, wie er
in dem
U.S.-Patent Nr. 4,733,971 beschrieben
ist, gesteuert. Elektroformen ermöglicht es vorteilhafterweise,
dass die Öffnung
44 mit einem kleinen Durchmesser
(z. B. in der Größenordnung von etwa 13 μm)
und einer wiederholbaren Durchschlaggeometrie hergestellt werden
kann, und zwar aufgrund der strengen Kontrolle der Beabstandungsstrecke
h des Unterschnitts in der Region
48 und der Erzeugung
einer scharfen Kante oder Ecke
52 um den Umfang der Öffnung
44 herum,
was die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass ein Entladungsereignis einsetzt,
sobald die minimale elektrische Paschen-Feldstärke erreicht
ist.
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Bei
einigen Ausführungsbeispielen ist die Ladungsverteilungsstruktur 22 zumindest
teilweise durch eine selbstausgerichtete Aufbringung eines elektrisch
leitenden Materials (z. B. eines Metalls, wie z. B. Tantal, Platin,
Niobium oder Zink) durch die Öffnung 44 gebildet.
Bei diesem Vorgang wird das Material auf die Entladungselektrode 42 und
den nichtmaskierten Abschnitt der oberen Oberfläche der
dielektrischen Struktur 16, der durch die Öffnung 44 frei legt,
aufgebracht. Bei einigen Ausführungsbeispielen wandert
während des Verarbeitens das aufgebrachte Material seitlich
auf Abschnitte der oberen Oberfläche der dielektrischen
Struktur 16 in der Unterschnittregion 48. Nachdem
das elektrisch leitende Material auf die dielektrische Struktur 16 aufgebracht
wurde, können zusätzliche Oberflächenmerkmale
(z. B. kegelförmige oder nadelförmige Vorsprünge
oder Nanoröhrchen) auf dem elektrisch leitenden Material gebildet
werden, um eine Ladungsteilchenemission in die Öffnungsregion
zu verbessern.
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Die 4–7 zeigen
alternative Ausführungsbeispiele der Ladungsemissionsvorrichtung 10, die
unterschiedliche Konfigurationen der Entladungselektrode 14 umfassen.
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4 zeigt
ein Ausführungsbeispiel 54 der Ladungsemissionsvorrichtung 10,
das der Ladungsemissionsvorrichtung 40 entspricht, außer
dass die Ladungsemissionsvorrichtung 54 eine Entladungselektrode 56 umfasst,
die eine Öffnung 58 aufweist, die durch gekrümmte
Seitenwände 60 definiert ist.
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5 zeigt
ein Ausführungsbeispiel 62 der Ladungsemissionsvorrichtung 10,
das der Ladungsemissionsvorrichtung 40 (siehe 4)
entspricht, außer dass die Ladungsemissionsvorrichtung 62 eine Entladungselektrode 64 umfasst,
die auf einer Abstandshalterschicht 66 gebildet ist. Die
Abstandshalterschicht 66 weist eine Öffnung auf,
die größer ist als die Öffnung 68 durch
die Entladungselektrode 64, derart, dass eine Unterschnittregion 70 zwischen
der Entladungselektrode 64 und der dielektrischen Struktur 16 gebildet
ist. Bei einigen Ausführungsbeispielen ist die Abstandshalterschicht 66 aus
einem Isolator (z. B. einem geätzten Photoresistfilm) oder
einer Metallfolie gebildet.
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6 zeigt
ein Ausführungsbeispiel 72 der Ladungsemissionsvorrichtung 10,
das der Ladungsemissionsvorrichtung 62 (siehe 5)
entspricht, außer dass die Ladungsemissionsvorrichtung 72 keine Unterschnittregion
zwischen der Entladungselektrode 64 und der dielektrischen
Struktur 16 umfasst. Stattdessen ist die Entladungselektrode 64 auf
einer Abstandhalterschicht 74 gebildet, die eine Öffnung mit
einem Durchmesser aufweist, der im Wesentlichen gleich dem unteren
Durchmesser der Öffnung 68 durch die Entladungselektrode 64 ist.
Bei einigen Ausführungsbeispielen ist die Abstandshalterschicht 74 aus
einem Isolator (z. B. einem geätzten Photoresistfilm) oder
einer Metallfolie gebildet. Bei diesem Ausführungsbeispiel
kann die Ladungsverteilungsstruktur 22 photolithographische
Strukturierungsvorgänge (z. B. Ätz- und Abhebevorgänge)
verwenden.
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7 zeigt
ein Ausführungsbeispiel 76 der Ladungsemissionsvorrichtung 10,
das der Ladungsemissionsvorrichtung 40 (siehe 4)
entspricht, außer dass die Ladungsemissionsvorrichtung 76 eine Entladungselektrode 78 umfasst,
die eine Öffnung 80 aufweist, die durch vertikale
(nicht spitz zulaufende) Seitenwände 82 definiert
ist und keine Unterschnittregion aufweist. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann
die Ladungsverteilungsstruk tur 22 unter Verwendung photolithographischer
Strukturierungsvorgänge (z. B. Ätz- und Abhebevorgänge)
gebildet sein.
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8 zeigt
ein Ausführungsbeispiel 84 der Ladungsemissionsvorrichtung 10,
das zusätzlich eine Abschirmelektrode 86 umfasst,
die eine Öffnung 88 aufweist, die axial mit der Öffnung 18 der
Entladungselektrode 14 ausgerichtet ist. Die Abschirmelektrode 86 ist
elektrisch von der Erzeugerelektrode 12 und der Entladungselektrode 14 getrennt.
In Betrieb ist die Abschirmelektrode 86 elektrisch mit
einer Spannungsquelle 90 verbunden, die die Abschirmelektrode 86 vorspannt.
Die Spannungsdifferenz zwischen der Abschirmelektrode 86 und
dem Ziel der Ladungsteilchenemission bestimmt die Polarität
der Teilchen, die aus der Ladungsemissionsvorrichtung 84 emittiert
werden, während die Spannungsdifferenz zwischen der Abschirmelektrode 86 und
der Entladungselektrode 14 die Emission geladener Teilchen
aus der Ladungsemissionsvorrichtung 84 reguliert (z. B.
die Emission geladener Teilchen ein- und ausschaltet).
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III. EXEMPLARISCHE ANWENDUNGSUMGEBUNG DER
LADUNGSEMISSIONSVORRICHTUNG
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Im
Allgemeinen kann die Ladungsemissionsvorrichtung 10 in
einer breiten Vielzahl unterschiedlicher Anwendungsumgebungen eingesetzt
werden. Bei einigen exemplarischen Ausführungsbeispielen ist
die Ladungsemissionsvorrichtung 10 in einem Ladungsaufbringungsdruckkopf
für elektrostatische Bilderzeugungsanwendungen beinhaltet.
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9 zeigt
einen Abschnitt eines exemplarischen Ladungsaufbringungsdruckkopfs 100,
der eine Mehrzahl von Erzeugerelektroden 102 in einer ersten Schicht
und eine Mehrzahl von Entladungselektroden 104 in einer
zweiten Schicht umfasst, wobei die Erzeugerelektroden 102 von
den Entladungselektroden 104 durch eine dielektrische Struktur 106 getrennt
sind. Eine exemplarische dielektrische Struktur 106 ist
aus einer oder mehreren Schichten aus Glimmer, Glas oder Silikon
gebildet. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel
weist die dielektrische Struktur eine Dicke auf, die in der Größenordnung von
25 μm liegt. Eine optionale Abschirmelektrode 108 ist
von den Entladungselektroden 104 durch eine Abstandshalterschicht 110 getrennt,
die eine Serie von Schlitzen 111 umfasst, die mit jeweiligen
der Entladungselektroden 104 ausgerichtet sind. Jede Entladungselektrode 104 weist
einen jeweiligen Satz von Entladungsöffnungen 112 auf,
die axial mit Öffnungen 114 in der Abschirmelektrode 108 ausgerichtet sind.
Die Entladungsöffnungen 112 besitzen typischerweise
eine kreisförmige Form. Die Erzeugerelektroden 102 schneiden
die Entladungselektroden 104 an Orten unter den Entladungsöffnungen 102.
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Ein
jeweiliger Ladungsemissionsort ist unter jeder der Entladungsöffnungen 112 gebildet.
Die bei 113 angeordneten Ladungsverteilungsstrukturen sind
durch die Entladungsöffnungen 112 sichtbar. Die Räume
zwischen benachbarten Erzeugerelektroden 102 sind typischerweise
durch ein dielektrisches Material 118 (z. B. Aufschleuder-Glas
(SOG; SOG = spin an glass)) gefüllt. Ähnlich sind
die Räume zwischen benachbarten Entladungselektroden 104 üblicherweise
durch ein dielektrisches Material 116 (z. B. Aufschleuderglas
(SOG)) gerollt. Die Erzeugerelektrodenanordnung, die dielektrische
Struktur und die Entladungselektrodenanordnung werden üblicherweise durch
ein Substrat 120 (z. B. ein gedrucktes Schaltungsplatinensubstrat)
getragen.
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Die 10 und 11 zeigen
ein exemplarisches Ausführungsbeispiel einer Bildübertragungsvorrichtung 130,
die einen oder mehrere Ladungsaufbringungsdruckköpfe 126 des
in 9 gezeigten Typs beinhaltet. Wie der Ausdruck „Bildübertragungsvorrichtung” hierin
verwendet wird, bezieht er sich allgemein auf alle Typen von Vorrichtungen,
die zum Erzeugen und/oder Übertragen eines Bilds in einem
elektrostatischen Bilderzeugungsvorgang verwendet werden (z. B.
auch bezeichnet als Ionenaufbringungsdrucken, Ladungsaufbringungsdrucken, Ionographie,
Elektronenstrahlbilderzeugung und Digitallithographie). Derartige
Bildübertragungsvorrichtungen können z. B. Laserdrucker,
Kopiergeräte, Faxgeräte und dergleichen umfassen.
Die dargestellte Bildübertragungsvorrichtung 130 umfasst
ein Bilderzeugungsbauteil 132, den Ladungsaufbringungsdruckkopf 126,
eine Entwicklungsstation 134, eine Bildübertragungsvorrichtung 136 und
eine Reinigungsvorrichtung 138. Der Druckkopf 126 wird
durch ein Drucksteuersystem 140 gesteuert.
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Unter
Bezugnahme auf 11 ist das Bilderzeugungsbauteil 132 durch
eine Trommel 144 implementiert, die sich um eine Achse 146 dreht.
Das Bilderzeugungsbauteil 132 umfasst eine äußere
Bilderzeugungsoberfläche 142, die sich an dem
Druckkopf 126, der Entwicklungsstation 134, der
Bildübertragungsvorrichtung 136 und der Reinigungsvorrichtung 138 vorbei
dreht.
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Der
Druckkopf 126 bringt ein elektrostatisches latentes Bild
auf die Bilderzeugungsoberfläche 142 des Bilderzeugungsbauteils 132 auf.
Bei einer Implementierung erzeugt der Druckkopf 126 elektrostatische
latente Bilder auf der Bilderzeugungsoberfläche 142 für
jede Farbe eines spezifizierten Farbraums (z. B. Gelb (G), Magenta
(M), Cyan (C) und Schwarz (K) in dem CMGK-Farbraum).
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Die
Entwicklungsstation 134 trägt ein Markierungsmittel
(z. B. flüssige Tinte oder trockenen Toner) auf die Bilderzeugungsoberfläche 142 auf.
Das Markierungsmittel haftet selektiv gemäß den
elektrostatischen Ladungen, die auf die Bilderzeugungsoberfläche 142 aufgebracht
wurden, an der Bilderzeugungsoberfläche 142, um
ein sichtbares Tonerbild auf der Bilderzeugungsoberfläche 142 zu
erzeugen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die
Entwicklungsstation 134 eine Mehrzahl von Entwicklungsrollen 150,
die unterschiedliche jeweilige Markierungsmittelfarben auf die Bilderzeugungsoberfläche 142 auftragen.
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Die
Bildübertragungsvorrichtung 130 überträgt
die Markierungsmittel in dem entwickelten Bild auf ein Druckmedium 152 (z.
B. Papier). Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die Bildübertragungsvorrichtung 130 eine
Zwischenübertragungstrommel 154, die die Bilderzeugungsoberfläche 142 berührt, und
eine Fixierungs- oder Einprägungstrommel 156, die
einen Walzenspalt mit der Übertragungstrommel 154 definiert.
Wenn die Übertragungstrommel 154 in Kontakt mit
der Bilderzeugungsoberfläche 142 gebracht wird,
wird das Markierungsmittel von der Bilderzeugungsoberfläche 142 auf
die Übertragungstrommel 154 übertragen.
Wenn das Druckmedium 152 in den Walzenspalt zwischen der Übertragungstrommel 154 und
der Einprägetrommel 156 geführt wird,
wird das Markierungsmittel von der Übertragungstrommel 154 auf
das Druckmedium 152 übertragen. Die Einprägetrommel 156 fixiert
das Tonerbild durch Anwenden von Wärme und Druck auf dem Druckmedium 152.
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Bevor
der Druckkopf 126 Ladung an die Bildoberfläche 142 anlegt,
entfernt die Reinigungsvorrichtung 138 restliches Markierungsmittel,
das nicht von der Bilderzeugungsoberfläche 142 auf
die Übertragungstrommel 154 übertragen
wurde.
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12 zeigt
einen Ladungsemissionsort 160 eines Ausführungsbeispiels
des Druckkopfs 126, der benachbart zu der Bilderzeugungsoberfläche 142 bei
einem Ausführungsbeispiel der Bildübertragungsvorrichtung 130 positioniert
ist. Der Ladungsemissionsort 160 entspricht einem Ausführungsbeispiel
der Ladungsemissionsvorrichtung 10, das eine Abschirmelektrode 162 und
einen elektrisch isolierenden Abstandshalter 164 umfasst.
Wie oben erläutert wurde, ist die Abschirmelektrode 162 in
einer Weise elektrisch vorgespannt, die die geladenen Teilchen in Richtung
der Bilderzeugungsoberfläche 142 beschleunigt
und den Strahl geladener Teilchen auf einen kleinen Aufbringungsbereich
auf der Bildoberfläche 142 fokussiert. Die Ladungsverteilungsstruktur 22 erhöht
die Effizienz, mit der geladene Teilchen erzeugt werden, indem die
elektrischen Ladungsträger über einen größeren
Bereich der darunterliegenden Oberfläche der dielektrischen
Struktur 16 verteilt werden, als andernfalls der Fall wäre,
wenn die Ladungsverteilungsstruktur nicht vorhanden wäre.
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IV. SCHLUSSFOLGERUNG
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Die
Ausführungsbeispiele, die hierin beschrieben sind, beinhalten
eine Ladungsverteilungsstruktur, die elektrische Ladungsträger
während des Ladungsträgererzeugungsvorgangs 26 über
darunterliegende Bereiche einer Laderegion verteilt. Durch ein Neuverteilen
der Ladungsträger weg von den Minima in dem Spalt zwischen
einer Entladungselektrode und einer dielektrischen Struktur ermöglicht
es die Ladungsverteilungsstruktur, dass eine größere
Ladung in der dielektrischen Struktur pro HF-Zyklus gespeichert
werden kann, und erhöht dadurch die Strompegel, die durch
die Ladungsemissionsvorrichtung 10 für einen gegebenen
HF-Spannungsumschwung erzeugt werden können. Auf diese
Weise sind diese Ausführungsbeispiele in der Lage, eine Ladungsteilchenemission
mit sowohl einer hohen Rate als auch einer hohen räumlichen
Auflösung zu erzeugen.
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Weitere
Ausführungsbeispiele befinden sich innerhalb des Schutzbereichs
der Ansprüche.
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Zusammenfassung
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Eine
Vorrichtung (10) umfasst eine Erzeugerelektrode (12),
eine Entladungselektrode (14), die eine Öffnung
(18) aufweist, eine dielektrische Struktur (16)
zwischen der Erzeugerelektrode (12) und der Entladungselektrode
(14) und eine Ladungsverteilungsstruktur (22).
Die dielektrische Struktur (16) umfasst eine Laderegion
(20) unter der Öffnung (18). Die Ladungsverteilungsstruktur
(22) befindet sich auf einer Oberfläche der Laderegion
(20), die der Öffnung (18) zugewandt
ist. Die Ladungsverteilungsstruktur (22) ist elektrisch
von der Erzeugerelektrode (12) und der Entladungselektrode
(14) getrennt und verteilt elektrische Ladungsträger über
darunterliegende Bereiche der Laderegion (20).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 3789471 [0027]
- - US 6362574 [0027]
- - US 6812634 [0027]
- - US 6741017 [0027]
- - US 4733971 [0033]