DE2602263A1

DE2602263A1 - Dueseneinheit

Info

Publication number: DE2602263A1
Application number: DE19762602263
Authority: DE
Inventors: Ernest Bassous; Lawrence Kuhn; Arnold Reisman; Howard H Taub
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: Lexmark International Inc
Priority date: 1975-01-23
Filing date: 1976-01-22
Publication date: 1976-07-29
Also published as: JPS5848352B2; US4007464A; FR2298436A1; FR2298436B1; GB1493696A; JPS5193821A; DE2602263C2

Description

Boblingen, aen ^S. 3anuar

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung
Aktenzeichen der Anmelderin: YO 974 042

Düseneinheit

, j

Die Erfindung betrifft eine im Oberbegriff des Anspruches 1 ange- ' gebene Art einer Düseneinheit. ^!

Es ist bekannt, in Tintenstrahldruckern einzelne Düsen oder ein Du-, senfeld zu verwenden, wobei die Düsen röhrenförmig ausgebildet ; sind. Diese Düsen werden, durch Bohren von Löchern in Platten ! durch mechanische Bearbeitung oder mittels Elektronen- bzw. Laserstrahlen hergestellt. Die Platten bestehen beispielsweise aus ι Edelstahl, Glas oder Quarz, glasartigem Kohlenstoff, Edelsteinen, ; wie Saphire und ähnlichem. Die oben erwähnte Technik der Herstellung derartiger Düsen leidet an mindestens einigen der folgenden Nachteile: j

1. Die Löcher werden zu einem Zeitpunkt gebildet. j

2. Die Steuerung der Größe und Form der einzelnen Düsen ist relativ gering.

3. Die Herstellung von Düsenfeldern ist noch schwieriger bei beigleitender üngleichförmigkeit der Lochgröße, Lochform und
räumlichen Verteilung innerhalb des vorgesehenen Feldes.

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ORIGINAL INSPECTED

In Tintenstrahldruckern wird ein Tintenstrahl durch Ausstoßen von ' unter Druck stehender Tinte aus einer Düse erzeugt. Der Tintenstrahl wird in einzelne Tröpfchen gleicher Größe und von gleichem ', gegenseitigem Abstand aufgelöst durch Vibrieren der Düse oder durch Beaufschlagung des Tintenstrahles mit einem periodischen Druck oder einer Geschwindigkeitsstörung vorzugsweise in der Nähe der Düsenöffnung. Das Drucken wird erzielt durch Steuerung der gegen das Aufzeichnungspapier gerichteten Flugbahn der Tropfen. Wichtige Charakteristika des Tintenstrahldruckens sind die Größe der einzelnen Düsen, deren räumliche Verteilung innerhalb eines Feldes; und die Mittel zur Erzeugung der genannten periodischen Störungen des Tintenstromes. Solche Faktoren wirken ein auf die Gleichförmig-ikeit der Geschwindigkeit des aus den einzelnen Düsen ausgestoßenen i Tintenstromes, auf die Richtungsstabilität der einzelnen Tropfen, d. h. die Parallelität der einzelnen Tintenströme und auf die Auflösungsentfernung der einzelnen Tropfen, d. h. die Entfernung zwischen dem Düsenausgang und der Stelle, an der sich die Tropfen bil-*· den.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,! eine Düseneinheit anzugeben, die mit höchster Präzision einfach herstellbar ist für die Erzielung einer Geschwindigkeits-Gleichförmigkeit, einer großen Richtungsstabilität und einer nahezu einheitlichen Entfernung des Tropfenbildungspunktes vom zugeordneten Düsenausgang innerhalb der einzelnen Tintenströme.

Eine nach der Erfindung aufgebaute Düseneinheit zeichnet sich dadurch aus, daß ihre Düsen bessere Flüssigkeitsfluß-Eigenschaften als röhrenförmige Düsen aufweisen infolge des Herabsetzens der Wandeffekte. Diese Effekte sind deshalb stark verringert, da die erfindungsgemäße Düse von ihrem Eingang aus gesehen in Richtung auf ihren Ausgang zugespitzt ist. Die bessere Flußcharakteristik ergibt eine gleichförmigere Störung der Geschwindigkeit über das gesamte Düsenfeld hinweg. Vorteilhaft ist es auch, daß die Kontrolle der Düsen visuell ohne erforderlichen Einbau in den Tintenstrahldrucker möglich ist. Bei röhrenförmigen Düsen ist es schwie-

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irig, wenn nicht gar unmöglich, die Innenseite der Düse zu sehen. Außerdem ermöglicht die erfindungsgemäße Düseneinheit einen Tinjtenfluß in beiden Richtungen, wobei jedoch die bevorzugte Flußrichtung in Richtung der Düsenquerschnitts-Verengung liegt, woidurch sich Niederärucktropfen ergeben. Die Richtungsstabilität ider Tintenströme hängt sehr ab von den Richtungen der kristallographischen Ebenen des Substratmateriales, aus denen die Düsen hergestellt werden, wodurch sie wesentlich größer ist.

Weitere Merkmale der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehimen.

Einzelheiten der Erfindung sind nachstehend anhand von in den Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:

iFig. 1a - h: Querschnitte eines für die Bildung der erfindungsgemäßen Düsen bearbeiteten Siliziumplättchens;

: Halbleiterdüsen in Draufsicht und schaubildlicher Darstellung;

einen Querschnitt eines die erfindungsgemäße Düse enthaltenden Tintenstrahldruckers;

: unterschiedliche Düsenquerschnitte;

ein Diagramm zur Veranschaulichung des Geschwindigkeitsverlaufes des Tintenstromes als Funktion des Druckes für verschiedene Düsen;

den Tintenfluß in der normalen Richtung; den Tintenfluß in umgekehrter Richtung;

Fig.	2a -i
Fig.	3:
Fig.	4a -
Fig.	5:
Fig.	6:
Fig.	7:

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Fig. 8: ein Diagramm zur Veranschaulichung der Tropfengeschwindigkeit in Abhängigkeit vom Druck bei normaler und umgekehrter Flußrichtung;

Fig. 9: ein Schema eines Tintenstrahldruckers mit einem Düsenfeld;

Fig. 10: eine bildliche Darstellung zur Veranschaulichung der Auswirkungen der Nichtgleichförmigkeit der Geschwindigkeit in einem Tintenstrahldrucker ;

Fig. 11: ein Diagramm zur Veranschaulichung der Abhängigkeit der Tropfengeschwindigkeit von der Düsengröße bei konstantem Druck für verschiedene Querschnitte von zugespitzten Düsen;

Fig. 12: ein Diagramm zur Veranschaulichung der Neigungen der Kurven der Fig. 11 als Funktion des Druckes zur Bestimmung der Empfindlichkeit der Tropfengeschwindigkeit auf Wechsel in der Düsengröße und

Fig. 13: eine bildliche Darstellung von Flüssigkeitsströmen, die aus einem Düsenfeld ausgestoßen werden.

Eine Düse oder ein Feld gleicher Düsen ist in einem Halbleitermaterial hergestellt unter Verwendung üblicher Halbleiter-Herstellungstechnologien. Als Halbleitermaterial ist Silizium bevorzugt, jedoch sind auch andere Halbleitermaterialien, wie Germanium, Galliumarsenid oder ähnliche, in der Erfindung verwendbar. Auch die Düsen, die einen vieleckigen Querschnitt am Eingang und Ausgang haben, und zugespitzt sind, sind aus Glas, Kunststoff, Metall usw., hergestellt. Das bevorzugte Herstellungsverfahren für Silizium verwendet ein anisotropisches chemisches Ätzmittel zur Her-

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stellung von Löchern gewünschter Größe und Form in dem Halbleitermaterial. Die bevorzugte Form ist die eines Pyramidenstumpfes von rechteckigem Querschnitt, wobei die dem Düsenaustritt zugewandte Parallelfläche des Pyramidenstumpfes kleiner ist als die der anderen Parallelfläche. Meistens ist der Querschnitt von quadratischer Form, obwohl für bestimmte Anwendungen wiederum ein rechteckiger Querschnitt erwünscht ist. Die Ecken der öffnungen sind gerundet, um Belastungskonzentrationen zu verkleinern, die sich im Ausfall oder übermäßiger Abnutzung äußern kann. Es isfc klar, daß die öffnungen auch andere Querschnittsformen, wie sechseckförmig, dreieckförmig usw., aufweisen können. Die ausgezeichnete Wirkungsweise der gegenwärtigen Düsen und Düsenfelder ist direkt bezogen auf den Einfluß der Kristallsymmetrie und Geometrie der Düse, wodurch sich eine Düse mit gleicher Richtungscharakteristik ergibt und ist auch bezogen auf die Zuspitzung _r woraus sich eine gleiche Geschwin· digkeitscharakteristik und hoher Düsenwirkungsgrad ergibt.

Es ist bekannt, daß anisotrope Ätzmittel kristallartige Materialien mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in verschiedenen kri-

stallographischen Richtungen angreifen. Zahlreiche anisotrope Ätz- j jmittel sind bekannt für einkristalliges Silizium, die alkalische | 'Flüssigkeiten oder Mischungen derselben einschließen. Als übliche i

! I

anisotropische Ätzmittel von Einkristallsilizium sind zu erwähnen j wässriges Ätznatron, wässriges Ätzkali, wässriges Hydrazin, Tetramethylammoniumhydroxid, Mischungen von Phenolen und Aminen, wie eine Mischung aus Brenncatechin und Äthylendiamin mit Wasser und jeiner Mischung aus wässrigem Ätzkali, n-Propanol und Wasser. Diese und andere bevorzugte Ätzmittel für monokristallines Silizium [sind bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Düseneinheit ver-

wendbar.

Jim Hinblick auf die drei gebräuchlichsten unteren Kristallebenen jeines Einkristallsiliziums ist die anisotrope Ätzgeschwindigkeit am größten für (100) orientiertes Silizium, etwas geringer für (110) und am geringsten für (111) orientiertes Silizium.

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jln den Figuren 1a - h ist eine Folge von Schritten der Herstellung

eines Loches in einem Einkristall-Siliziumplättchen zur Bildung einer Düse oder eines Düsenfeldes veranschaulicht. Es ist klar, 'daß die aufeinanderfolgenden Herstellungsschritte auch in einer 'anderen Reihenfolge auftreten können. Auch andere Filmmaterialien

jzur Ausführung derselben weiter unten angeführten Funktion sind !verwendbar. Ferner kann die Filmbildung, Größe und Dicke und ähnli- !ches variiert werden.

Wie in Fig. 1a gezeigt, hat das Siliziumplättchen 2 eine standardchemisch-mechanisch polierte Oberfläche vom p- oder η-Typ mit einer (100) Orientierung und wird zunächst gereinigt. Als nächstes Jwird, wie in Fig. 1b gezeigt, das Siliziumplättchen 2 in Dampf bei 1000 ⁰C oxydiert, um einen SiO₂-FiIm 4 mit einer Dicke von 4500 8 auf dem Plättchen zu bilden. Dann folgt (Fig. 1c) das überziehen des oxydierten Plättchens mit einer lichtelektrischen Wijderstandsschicht 6 auf der Vorder- und Rückseite des Plättchens. Dann wird die lichtelektrische Widerstandsschicht mit dem Düsengrundlochfeld 8 belichtet und entwickelt. Es schließt sich nun j(Fig. 1e) ein Abätzen der SiO₂-Schicht in dem genannten Feld 8 an, und zwar in gepufferter Fluorwasserstoffsäure, worauf die lichtelektrische Widerstandsschicht 6 von beiden Seiten des Plättchens abgezogen wird. Wie in Fig. 1f gezeigt, wird dann das SiIijzium aus dem Düsengrundlochfeld 8 mittels eines anisotropen Ätzmittels, beispielsweise einer Ätyhlendiamin, Brenzkatechin und (Wasser enthaltenden Mischung bei 110-120 C abgeätzt, um die jzugespitzte Öffnung 10 im Plättchen 2 zu erzeugen. Das Ätzen wird gestoppt, wenn an der Unterseite des Plättchens Öffnungen erscheinen. Die Ätzperiode liegt im allgemeinen in der Größenordnung von 3 bis 4 Stunden für ein Substrat von ungefähr 0,2 mm Dicke. jWie in Fig. 1 g gezeigt ist, wird der SiO₂-FiIm 4 vom Plättchen >2 abgeätzt, wodurch sich ein Siliziumplättchen mit einer Öffnung 'von pyramidenstumpfartiger Form ergibt. Auf dem Plättchen 2 läßt man nun den SiO₂-FiIm 2 durch Oxydation wachsen, der in Fig. 1h dargestellt ist. Dieser SiO₃-FiIm 12 unterstützt das Verhüten von Korrosionsbildung durch die in dem Tintenstrahldrucker verwendete

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Tinte. Es ist klar, daß auch andere korrosionsfeste Filme verwendbar sind..

In den Figuren 2a und b sind Düsen dargestellt, die in dem SiIiziumplättchen 2 geätzt sind, wobei jede Düse den Querschnitt eines Vieleckes aufweist, wobei die Querschnittsfläche an der Eingangsund Ausgangsseite der öffnung von unterschiedlicher Größe ist. Die dargestellte Düse besitzt an ihrer Eingangs- und Ausgangsseite einen viereckigen Querschnitt und die räumliche Form stellt einen Pyramidenstumpf dar. Das heißt, die Düse hat einen rechteckigen Eingangsquerschnitt, definiert durch die Linie 14, wobei sich dieser Querschnitt zu einem ebenfalls rechteckigen, durch die Linien 16 definierten Querschnitt verjüngt. Vorzugsweise ist die Düse an ihrer Eingangs- und Ausgangsseite quadratisch. In Fig. 2b sind die Ecken der Eingangs- und Ausgangsöffnung nicht scharfkantig sondern weisen Rundungen 13, 15 auf. Die Ecken und Wandberührungsflächen sind durch Ätzen oder andere geeignete Verfahren gerundet, um eine Beanspruchungskonzentration herabzusetzen. Dadurch ergibt sich eine Verringerung übermäßiger Beanspruchung und damit eine Herabsetzung.des Düsenausfalles. Es ist klar, daß die erfindungsgemäße Düse unterschiedliche Formen aufweisen kann. Beispielsweise kann die Düse auch eine sechseckige oder dreieckige oder andere Ausgangs- und Eingangsform aufweisen in Abhängigkeit von dem verwendeten Halbleitermaterial, der kristallographischen Orientierung und der verwendeten Ätzmittel.

Es ist ersichtlich, daß eine einzelne Düse oder ein Düsenfeld, wie dargestellt, leicht unter dem Mikroskop kontrolliert werden kann zur Bestimmung, ob irgendwelche offensichtliche Mängel vorliegen ohne daß es erforderlich ist, die Düse oder das Düsenfeld in einem Tintenstrahldrucker zu testen, da die Oberflächen der Düse nicht versteckt sind. Als Mängel kommen in Frage, beschädigte Kanten an der Eingangs- oder Ausgangsseite der Düsenöffnung, Kristallitanwachsen oder andere Nichtgleichförmigkeiten im Inneren der Düse oder Veränderungen in der speziellen Lage der Düse innerhalb des Düsenfeldes. Die pyramidenstumpfartige Form der Siliziumdüse erlaubt, alle Fläche zu kontrollieren und die Düse oder

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das Düsenfeld auf dieser Basis auszuwählen oder abzuweisen. Da die Kosten der Düsenkontrolle bei der Herstellung einen erheblichen Teil der Düsenkosten darstellen, sind durch die erfindungsgemäße Düseneinheit beträchtliche Einsparungen erzielbar.

Typische Charakteristika der beschriebenen Düse für die Anwen-I dung in Tintenstrahldruckern sind nachfolgend angeführt. Bei einer Geschwindigkeit von ungefähr 12,7 m/sec ist die Gleichförmigkeit des Strahlauflösens bei einem Düsenfeld aus beispielsweise ■ acht Düsen geringer als drei Düsendurchmesser. Die Gleichförmigkeit der Geschwindigkeit ist besser als + 50 bis 12 mm/sec und j die Richtungsgenauigkeit, d. h. die Abweichung der einzelnen Tintenströme von der Parallelität, liegt innerhalb + 2 Milligraden. Der Wirkungsgrad der zugespitzten Düse ist besser als der von röhrenförmigen und ist ausgezeichnet durch minimalen Abfall

des Flüssigkeitsdruckes von der Eingangsseite zur Ausgangsseite j hin.

I Der Verteiler 18 (Fig. 3) besteht aus der Tintenkammer 20 und der von derselben durch den auf den Dichtring 26 aufgesetzten piezoelektrischen Treiber 24 getrennten Gaskammer 22. Die Tinte ; wird der Tintenkammer 20 über den Einlaß 28 von einer nicht ge- ; zeigten Tintenquelle zugeführt und der Luftauslaß 30 dient zum Abzapfen von Luft und ausgeschwemmter Tinte. Der Gaskammer 22 wird Gas aus einer nicht gezeigten Quelle über den Einlaß 32 zugeführt zum Druckausgleich zwischen den beiden Kammern. Die Spannungsquelle 34 versorgt über die Verbindung 36 den piezoelektrischen Treiber 24, so daß Störungen in der Tinte der Kammer 20 erzeugt werden für die Bildung gleichgroßer Tropfen, aus der aus der Kammer ausgestoßenen Tinte. Die Düsenplatte 38 ist an der Tintenkammer 20 befestigt und trägt das Düsenplättchen 40, das entsprechend der Erfindung ausgebildet ist. Die Ladeelektrode 42 ist von der Düsenplatte 38 durch die Abstandhalter 44 beabstandet. Die letzteren sind an Tragblöcken 46, 48 befestigt, welche die Ablenkplatten 50, 52 mittels der Flüssigkeitsrückführrohre 54 und 54 tragen. Die in der Kammer 20 unter Druck

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stehende Tinte wird in der Form eines Tintenstromes 51 ausgestoßen und bricht in einzelne Tröpfchen auf als Folge der Störungen der durch den piezoelektrischen Treiber 24 erzeugten Schwingungen. Die Ladelektrode lädt die Tropfen, die für das Drucken nicht verwendet werden, mittels nicht gezeigter Lademittel auf. Die Tropfen passieren hernach die Ablenkplatten 50, 52, wobei sie einer Ablenkspannung ausgesetzt sind, wodurch die ungeladenen Tropfen 53 zu den vorherbestimmten Orten auf dem sich in Richtung des Pfeiles 62 bewegenden Aufzeichnungs-

papier 60 weiterfliegen. Die geladenen Tropfen 55 werden durch die Auffangblende 58 abgefangen und werden über das Flüssigkeitsrückführrohr zu der nicht gezeigten Flüssigkeitsquelle zurückgeführt.

In den Figuren 4a bis 4d sind verschiedene Querschnittsformen des Tintenstrahles dargestellt_f die sich aus Umwandlung eines !Querschnittes von Vieleckform in einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt durch die Wirkung der Flüssigkeitsdämpfung !der Schwingungen ergeben, in einer Entfernung von dem Düsenaus- !gang, die gewöhnlich geringer ist als die Entfernung bei welcher der Tintenstrom sich in voneinander gleich beabstandete ,Tropfen auflöst. In Fig. 4a ist der Querschnitt des Tintenstromes am Düsenausgang als ein Vieleck in Übereinstimmung mit dem Querschnitt des Düsenausganges dargestellt. Für den Fall ,eines rechteckförmigen Düsenaustritts-Querschnittes ist der

j I

jTintenstrom im wesentlichen von ebenfalls rechteckförmigem J !Querschnitt. Da der Tintenstrom sich vom Ausgang der Düse wei- >

i I

terbewegt wird, wirkt die Oberflächenspannung auf die Ecken ; des Stromes ein und verursacht, daß der Tintenstrom, wie in den Figuren 4b und 4c dargestellt, aufeinanderfolgend oszilliert, Jwobei der Tintenstrom einen im wesentlichen kreisrunden Quer- !schnitt erhält infolge der Flüssigkeitsdämpfung der Schwingungen, wie in Fig. 4d dargestellt ist. Es wurde herausgefunden, daß die Schwingungsperiode unabhängig ist von der Tintenstromjgeschwindigkeit und daß nach vier oder fünf Schwingungen der bintenstrom einen im wesentlichen kreisrunden Querschnitt annimmt .

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Für eine im wesentlichen quadratische Düse mit einer Seitenlänge von ungefähr 0,025 mm erfolgt dies bei einer Entfernung von ungefähr 0,05 mm von der Düse bei einer Tropfengeschwindigkeit von 17,8 m/sec. Bei dieser Geschwindigkeit ist der Tropfenauflösepunkt ungefähr 1,9 mm vom Düsenausgang entfernt.

Die Spezifikationen für einen ein Düsenfeld enthaltenden Tintenstrahldrucker befassen sich mit der Gleichförmigkeit der Düsenrich- !tung,der Geschwindigkeit und Tropfenbildung. Rechteckförmig zugespitzte Siliziumdüsen entsprechend der Erfindung weisen ausgezeichnete Geschwindigkeits- und Richtungsgenauigkeits-Charakteristika JaIs Ergebnis ihrer zugespitzten Form auf. Verglichen mit Düsen [von zylindrischer Form kommen die erfindungsgemäßen zugespitzten

|Düsen mit einem niedrigeren Druck aus, um eine gegebene Tropfengeschwindigkeit für einen bestimmten Düsendurchmesser zu erhalten. Dies ist in Fig. 5 veranschaulicht, in der die aus der Abhängigkeit von Tropfengeschwindigkeit und Druck sich ergebenden Kurven für eine Siliziumdüse von der Form eines Pyramidenstumpfes verglichen wird mit den Kurven röhrenförmiger Düsen verschiedener Durchmesser und Längen. Die Kurve 63 zeigt die theoretischen Druckgeschwindigkeits-Charakteristik für eine Idealdüse (P = 1/2

pV , wobei ρ und V die Dichte und Geschwindigkeit darstellen).

Kurve 64 stellt die Geschwindigkeitscharacteristik einer zugespitzten, einzelnen Siliziumdüse dar, deren Eingangsquerschnitt (quadratisch ist bei einer Seitenlänge von ungefähr 0,025 mm; eine !kreisförmige Düse gleicher Fläche hat einen Durchmesser von unge- !fähr 0,03 mm. Die Kurve 65 stellt die Geschwindigkeitscharakteristik für eine röhrenförmige Düse mit einem Durchmesser von 0,034 Iran und einer Länge von 0,22 mm dar. Das Diagramm zeigt, daß die

Tropfengeschwindigkeit einer quadratischen, zugespitzten Siliziumdüse größer ist als die einer röhrenförmigen Düse von variierenden !Längen und vergleichbaren Durchmessern und der Idealgeschwindigkeit|s kurve 63 am nächsten kommt. Die Tropfengeschwindigkeit ist im wesentlichen gleichförmig für rechteckige, zugespitzte Siliziumdüsen eines Düsenfeldes. Diese Gleichförmigkeit ergibt sich aus der !relativen Unempfindlichkeit der Tropfengeschwindigkeit gegenüber

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den relativen Veränderungen der Düsengröße für zugespitzte,rechteckförmige Düsen eines Feldes. Es wurde auch gefunden, daß die ' Aufbrechcharakteristika im wesentlichen einheitlich sind für gleiche Störungszustände. Ferner zeigt ein Feld derartiger Düsen eine große Richtungsgenauigkeit.

In Fig. 6 ist der Flüssigkeitsfluß in der normalen Richtung durch die Düse 67 dargestellt, d. h. die Flüssigkeit fließt von der größeren, rechteckförmigen Eingangsöffnung zu der kleineren, rechteck förmigen Ausgangsoffnung. In Fig. 7 ist dagegen die umgekehrte Flußrichtung veranschaulicht, d. h. Flüssigkeit fließt von der kleineren Eingangsöffnung zur größeren Ausgangsöffnung der Düse 68 Bei kleinen Düsen, d. h. bei Düsen von weniger als 0,025 mm Kantenlänge, ergaben Messungen der Tropfengeschwindigkeit als Funktion des Druckes einen Unterschied zwischen den beiden Flußrichtungen, wie aus Fig. 8 hervorgeht. Die Kurve 69 stellt die normale Flußrichtung und die Kurve 70 die umgekehrte Flußrichtung für eine Düse mit quadratischem Querschnitt bei einer Seitenlänge von ungefähr 0,015 mm dar. Die Tatsache, daß bei einem gegebenen Druck die Tropfengeschwindigkeit geringer in der umgekehrten Flußrichtung als in der normalen ist, ist unerwartet, da man intuitiv das Gegenteil erwarten würde. Dies ist so, da in der umgekehrten Flußrichtung die Ausgangsoffnung hier als eine klassische Düse für die Tintenzuführung erscheint. Bei Messung der Flußmenge wurde herausgefunden, daß der Flüssigkeitsfluß größer ist in der normalen Flußrichtung. Deshalb scheint die zugespitzte rechteckförmige Düse bessere Tropfengeschwindigkeits-Charakteristika zu haben als sine klassische, scharfkantige Düse.

Der Verteiler 72 (Fig. 9) weist das Düsenplättchen 74 auf, welches die Düsen 76, 78 und 80, die entsprechend der Erfindung aufgebaut sind, enthält. Die Tintenströme der einzelnen Düsen passieren die Ladeelektroden 82, 84 und 86, wobei die geladenen Tropfen für den Druck nicht verwendet werden, dagegen die ungeladenen Tropfen. Alle Tropfen passieren die gemeinsamen Ablenkplatten 88 und 90, wobei die geladenen Tropfen 89 in der Auffangblende 91 auftreffen

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und über die Rohrleitung 92 dem nicht gezeigten Tintenreservoir j zugeführt werden und die ungeladenen Tropfen 87 unabgelenkt bleiben und folglich die Auffangblende 91 passieren und direkt auf vorherbestimmte Punkte des Aufzeichnungspapieres 94, das sich in ■der Richtung des Pfeiles 96 bewegt, auftreffen.

;Einer der Hauptpunkte bei der Herstellung eines Düsenfeldes ist "die Geschwindigkeits-Gleichförmigkeit im Hinblick auf die Geschwin· digkeit der aus den einzelnen Düsen ausgestoßenen Tropfen. Wenn keine Geschwindigkeits-Gleichförmigkeit vorhanden ist, ist eine ;begleitende Fehlregistrierung von Tropfen auf dem Papier vorhanden idie eine schlechte Druckqualität ergibt. In Fig. 10 ist das Papier :98, das sich in Richtung des Pfeiles 100 bewegt und eine Mehrzahl von Tintenströmen 102, 104, 106 und 108 dargestellt. Es wird angenommen, daß die Tropfengeschwindigkeiten der Ströme 102, 106 ;und 108 gleich sind, wobei die Tropfengeschwindigkeit des Stromes. 104 größer ist. Dies ist sichtbar durch den jeweils sechsten Tropfen 110, 112, 114 und 116 in den entsprechenden Tintenströmen. Wenn eine Gleichförmigkeit der Tropfengeschwindigkeit vorhanden ist, schlagen die Tröpfen auf dem Papier 98 in einer im wesentlichen geraden Linie auf und ergeben Markierungen 118, 120, 122 und 124. Die Markierung 120 ist als Scheinpunkt dargestellt, da der Tropfen 112 in Wirklichkeit mit einer höheren Geschwindigkeit sich bewegt und nicht im Gebiet der Markierung 120 auf dem Papier auftrifft. Stattdessen erzeugt der Tropfen 112 auf dem Papier die Markierung 126, die aus der Drucklinie ausschlägt. Dies ist deshalb so, weil der Tropfen 112 das Papier 98 früher als die anderen Tropfen erreicht und demzufolge das Papier sich weiterbewegt hat bevor die folgenden Tropfen auftreffen.

In einem Düsenfeld muß bestimmt werden, welchen Einfluß die Gleichförmigkeit der Düsengröße auf die Gleichförmigkeit der Geschwindigkeit hat. Das Diagramm der Fig. 11 veranschaulicht die Tropfengeschwindigkeit gegenüber der Düsengröße für verschiedene konstante Drücke für unterschiedliche Größen von zugespitzten, rechteckförmigen Düsen. Ein weiter Druckbereich, beginnend bei

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0,45 Atmosphären, dargestellt durch die Kurve 128, bis zu 3,9 At- ' |mosphären, dargestellt durch die Kurve 130, ist in Fig. 11 veran- ! schaulicht. Es ist ersichtlich, daß über den Bereich der eingej zeichneten Düsengrößen und Drücke die entsprechenden Kurven im !wesentlichen linear verlaufen. ,

In Fig. 12 sind die Neigungen der in Fig. 11 dargestellten Kurven als Funktion des Druckes eingezeichnet mit dem Punkt 128' und dem \ Punkt 13O¹, die den Neigungen der Kurven 128'und 130 der Fig. 11 j entsprechen. Es ist ersichtlich, daß über einen Druck von 1,4 j Atmosphären die Empfindlichkeit der Tropfengeschwindigkeit auf ; Wechsel der Düsengröße ungefähr 100 m/sec/mm beträgt. Dies veranschaulicht, daß die Erfordernisse für die Gleichförmigkeit der Düsengröße mit Bezug auf die Gleichförmigkeit der Geschwindigkeit für ein Düsenfeld nicht zu genau sind. Das bedeutet, daß Veränderungen in bestimmten Düsengrößen innerhalb des Feldes vorhanden sind, die sich nicht wesentlich auf die Geschwindigkeitsgleichförmigkeit und demzufolge auf die Druckqualität auswirken. Dies ist nicht notwendigerweise so für die bekannten röhrenförmi- !gen Düsen.

Die einzelnen Tropfen 132 (Fig. 13) eines jeden Tintenstromes 133 sind im wesentlichen am selben Punkt (134) gebildet und bewegen sich in Bahnen gegen das Papier 135, die eine gute Richtungsgenauigkeit aufweisen, d. h. genau parallel zueinander verlaufen.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Düseneinheit an einer mit einer Tintendruckquelle verbundenen Tintenkammer eines Tintenstrahldruckers mit Mitteln zum Stören des Tintenstromes mittels einer im wesentlichen konstanten Frequenz, dadurch gekennzeichnet, daß die Düseneinheit mindestens eine Düse (67 bzw» 68 bzw. 76 bzw. 131) aufweist, deren einen vieleckigen Querschnitt aufweisende Eingangsöffnung mit der Tintenkammer (20) verbunden ist und deren Ausgangsöffnung einen ähnlichen vieleckigen Querschnitt aufweist, jedoch von unterschiedlicher Größe, wodurch der ausgestoßene Tintenstrom anfänglich einen im wesentlichen vieleckigen Querschnitt aufweist.

Düseneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse sich in einem Halbleiterplättchen (2) befindet.

Düseneinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterplättchen (2) aus einkristalligem Silicium besteht.

Düseneinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Silicium mit einem korrosionsfestem Film (12) überzogen ist.

Düseneinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterplättchen (2) aus Germanium besteht.

Düseneinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterplättchen (2) aus Galliumarsenid besteht.

Düseneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (67 bzw. 68 bzw. 76 bzw. 131) die Form eines Pyramidenstumpfes (14, 16) aufweist, dessen die Eingangs-

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und Ausgangsquerschnitte darstellenden Parallelflächen rechteckförmig sind, wodurch der ausgestoßene, anfänglich rechteckigen Querschnitt aufweisende Tintenstrom durch die Oberflächenspannung der Tinte einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt annimmt.

8. Düseneinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ecken an der Eingangs- und Ausgangsseite der Düse (67 bzw. 68 bzw. 76 bzw. 131) gerundet (15) sind.

9. Düseneinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangs- und der Ausgangsquerschnitt der Düse (67 bzw. 68 bzw. 76 bzw. 131) im wesentlichen quadratisch sind.

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