DE3228887A1

DE3228887A1 - Verfahren zum austreiben eines fluessigkeitstroepfchens aus einer oeffnung eines kapillarkoerpers

Info

Publication number: DE3228887A1
Application number: DE19823228887
Authority: DE
Inventors: Frank L. 97330 Corvallis Oreg. Cloutier; David K. 94061 Redwood City Calif. Donald; John D. 94043 Mt. View Calif. Meyer; Christopher A. 94301 Palo Alto Calif. Tacklind; Howard H. 95129 San Jose Calif. Taub; John L. 94304 Palo Alto Calif. Vaught
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1981-08-14
Filing date: 1982-08-03
Publication date: 1983-02-24
Also published as: JPH01132727U; JPS62142655A; GB2106039A; JPS5836465A; JPH0443515B2; JPH0225629Y2

Description

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Int. Az.: Case 1530 ·.-■■-.-■ -- 15-. -juTM 1982

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VERFAHREN ZUM AUSTREIBEN EINES FLÜSSIGKEITSTRÖPFCHENS AUS EINER ÖFFNUNG EINES KAPILLARKÖRPERS

Die Erfindung betrifft eine Verfahren zum Austreiben eines Flüssigkeitströpfchens aus einer öffnung eines Kapillarkörpers gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Grundsätzlich können Tintenstrahl systeme eingeteilt werden in drei Grundtypen: kontinuierliche Tintentröpfchenstrahlen, bei denen Tröpfchen kontinuierlich mit einer konstanten Geschwindigkeit unter konstantem Tintendruck erzeugt werden, elektrostatisch erzeugte Tintenstrahlen und Inipulsstrahlen zur Abgabe von Tinte bei Bedarf. Die Erfindung betrifft primär die dritte Art von Systemen.

Die kommerziell verwendeten Impulsstrahl systeme enthalten in vielen Fällen piezo-elektrische Kristalle, welche Tinte aus der öffnung eines Röhrchens mit engem Querschnitt austreiben. Ein typisches Beispiel hierfür ist beschrieben in US PS 3 832 579. Demgemäß ist ein kleiner zylindrischer piezo-elektrischer Meßwertumformer eng mit der Außenfläche einer zylindrischen Düse verbunden. Die Tinte gelangt zur Düse durch einen Tintenschlauch, der zwischen dem breiten Ende der Düse und einem Tintenreservoir verbunden ist. Wenn der Meßwertumformer einen elektrischen Puls erhält, erzeugt er eine Druckwelle, welche die Tinte zu beiden Enden der Düse beschleunigt. Es wird ein Tintentröpfchen gebildet, wenn die Druckwelle der Tinte die Oberflächenspannung des Meniskus an der öffnung am schmalen Ende der Düse übersteigt.

Bei diesen piezo-elektrischen Tintenstrahl systemen besteht ein prinzipielles Problem in' der relativen Ungleichheit in der Größe zwischen dem piezo-elektrischen Meßwertumformer und der Tintenstrahl öffnung. Der Meßwertumformer ist im allgemeinen größer als die öffnung und begrenzt dadurch entweder die minimale Trennung der Strahlen oder die Anzahl der Strahlen, welche bei einem gegebenen Druckkopf

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verwendet werden kann. Außerdem sind piezo-elektrische Meßwertunw former relativ teuer in der Herstellung und eignen sich wenig für viele moderne Halbleiterherstellungstechniken.

Eine andere Art derartiger Tintenstrahl systeme ist beschrieben in US-PS 3 174 042. Bei diesem System wird eine Vielzahl von Tinte enthaltenden Röhren verwendet. Elektroden in den Röhren stehen in Kontakt mit der Tinte, und bei einem Triggersignal gelangt-,ein elektrischer Strom durch die Tinte. Dieser Stromfluß erhitzt die Tinte entsprechend dem Wert IfR, wobei I die-Stromstärke und R der Widerstand der Tinte ist. Ein Teil dei*~TTnte in deff Röhren verdampft und bewirkt,daß Tinte und Tintendampf aus den Röhren ausge-, trieben werden.

Die Hauptnachteile dieses Verdampfungssystemes ergeben sich bei der Steuerung des Tintennebels und aufgrund der Tatsache, daß die Tinte eine bestimmte Leitfähigkeit haben muß, da eine Tinte mit hoher Leitfähigkeit einen großen Stromfluß für die erforderliche Verdampfung erfordert, so daß nur eine relativ geringe Anzahl von Tintenarten verwendet werden kann.

Trotz der Tatsache, daß beide Tintenstrahl systeme seit vielen Jahren bekannt sind, müssen deren grundlegende Probleme noch gelöst werden.

Gegenüber diesem Stand der Technik werden die vorgenannten Nachteile vermieden gemäß dem Kennzeichen von Anspruch 1.

Gemäß bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden ein Tinte enthaltender Kapillarkörper mit einer Öffnung zum Ausstoßen von Tinte sowie eine Heizeinrichtung für die Tinte in enger Nähe neben • der öffnung, beispielsweise ein in oder neben dem Kapillarkörper angeordneter Widerstand, vorgesehen.

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Im Betrieb wird die Tintenheizeinrichtung schnell aufgeheizt und überträgt eine bedeutende Energiemenge an die Tinte, wodurch ein kleiner Anteil der Tinte verdampft und eine Blase in dem Kapillarkörper erzeugt. Dieses erzeugt wiederum eine Druckwelle, die ein Tintentröpfchen von der öffnung auf eine nahegelegene Schreibfläche ausstößt. Wenn die Heizeinrichtung bezüglich der Öffnung zweckmäßig angeordnet wird und die Energieübertragung sorgfältig geregelt wird_/ bricht das Bläschen schnell an oder nahe der Heizeinrichtung zusammen, bevor irgendwelcher Tintendampf aus der Öffnung entweichen kann. Daher können viele der entstehenden Hardware- und Softwareanordnungen zur Implementierung anderer Punktmatrixdrucksysteme schnell an diese Erfindung angepaßt werden.

Gemäß den bevorzugten Ausführungsformen sind primär zwei geometrische Konfigurationen vorgesehen. Gemäß der ersten Anordnung wird Tinte von einer Öffnung nahe dem Ende eines Kapillarrohres ausgestoßen, während bei der zweiten Anordnung der Tintenkapillarkörper im wesentlichen eine Ebene definiert und die Tinte von einer Öffnung in einer Richtung senkrecht zu dieser Ebene ausgestoßen wird. Bei jeder dieser Anordnungen ergibt sich der Vorteil gegenüber dem Stand der Technik, daß sie für die Massenherstellung unter Verwendung herkömmlicher elektronischer Fabrikationstechniken geeignet sind. Außerdem sind die Abmessungen der Druckköpfe, welche entsprechend dem Prinzip der Erfindung erzeugt werden können, beinahe unbegrenzt, so daß sehr große Anordnungen mit sehr großer Auflösung möglich sind, da keine platzbeanspruchenden piezo-elektrischen Kristalle erforderlich sind. Außerdem ergeben sich keine Beschränkungen bezüglich der verwendbaren Tinten.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert; es zeigen Figur 1 in explodierter Darstellung einen Tintenstrahldrucker gemäß der Erfindung,
Figur 2 den Tintenstrahldrucker gemäß Figur 1 in zusammengebauter

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Form,

Figur 3 eine Querschnittsansicht der Anordnung gemäß Figur 1 und 2, Figur 4 schematisch die Folge der Vorgänge beim Erzeugen eines.

Tintentröpfchens,

Figur 5 eine typische Spannungsform bei der Blasenbildung, Figur 6 eine geänderte Spannungsform bei der Blasenbildung, Figur 7a eine Ansicht eines ausgeklappten Vielstrahl-Randstrahldruckkopf es,

Figur 7b die Anordnung gemäß Figur 7a im zusammengebauten Zustand, Figur 8 eine Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform eines Randstrahl druckkopfes,

Figur 9a aufgeklappt einen Seitenstrahldruckkopf, Figur 9b eine Ansicht des Druckkopfes gemäß Figur 10a im zusammengebauten Zustand,
Figur tOa eine Schrägansicht eines Vielstrahl-Seitenspritz-Druckkopfes,

Figur 10b eine Schrägansicht der Oberseite des Substrates der Anordnung gemäß Figur 10a,

Figur 11 eine Schrägansicht eines anderen Viel strahl-Seitenspritzdruckkopfes.

Figur 1 zeigt schematisch in explodierter Darstellung einen thermischen Tintenstrahldrucker. Figur 2 zeigt diesen im zusammengebauten Zustand. Hauptbestandteile sind ein Substrat 11, welches typischerweise aus Saphir, Glas oder einem anderen inerten zusammengesetzten Material, beispielsweise beschichtetem Metall oder beschichtetem Silizium besteht, wobei eine Oberfläche des Substrates tt mit einer Dünnfilm-Metallisierungsschicht 13 bedeckt ist. Die Dünnfilm-Metallisierung ist derart ausgebildet, daß sich ein schmaler nicht leitender Streifen 14 der Breite D1 (ungefähr 0,076mm) und ein leitfähiger Streifen der Breite D2 (ungefähr 0,076 mm) ergibt, um einen Widerstand 16 in der Metallisierungsschicht 13 zu erzeugen. Ein Widerstandswert von etwa 3 Ohm ist geeignet. Bei einer typischen Anordnung befindet sich der Widerstand 16 in einem Abstand D3 (nominell 1,47 mm) aber im allgemeinen im Bereich von

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0,05 mm< D3< 0,245 mm) vom Abstand des Substrates 11. An der Oberseite der Dünnfilm-Metallisierung 13 befindet sich ein Kapillarblock 15, typischerweise aus Glas mit einem Kapillarkanal 17 und einer öffnung an jedem Ende. Der Kanal 17 ist ungefähr 0,07 mm breit und ebenso tief und entspricht in der Breite dem nicht leitfähigen Streifen 14 in der Metallisierungsschicht 13.

Hinter dem Kapillarblock 15 und auf dem Substrat 11 befindet sich eine Wandung 19 eines Reservoirs 24 zur Aufnahme von Tinte neben dem Kapillarblock 15. Der Kanal 17 zieht Tinte durch Kapillarwirkung aus dem Reservoir 24 in die Nahe der öffnung gegenüber dem Reservoir. Wie sich aus Figur 2 ergibt, hat der Drucker zwei Elektroden 23 und 25 welche befestigt sind an der Dünnfilm-Metallisierungsschicht 13 zur Erzeugung einer elektrischen Potentialdifferenz an einem Widerstand 16. In Figur 3 ist eine Querschnittsansicht des Tintenstrahldruckers der Figuren 1 und dargestellt, woraus sich die Anordnung der Tinte 21, des Kapillarblocks 15, des Widerstands 16 und einer Druckfläche 27 ergibt. Im Betrieb beträgt der Abstand D5 zwischen der Druckeröffnung und der Druckfläche 27 etwa 7,35 mm.

Eine Zeitfolge von Ereignissen während einer Betriebsperi-ode des Druckers wird mit Hilfe von Figur 4 erläutert. Wenn eine Spannung an die Elektroden 23 und 25 angelegt wird, bewirkt der Strom durch den Widerstand 16 eine überhitzung der Tinte, welche bei geeigneter Steuerung in einem vorbeschriebenen Zeitpunkt eine Blase 12 über dem Widerstand 16 gemäß Figur 4a erzeugt. Die Blase erweitert sich sehr schnell in Richtung auf die in Figur 4b gezeigte öffnung jedoch ist deren Erweiterung begrenzt durch die der Tinte zugeführte Energie. Durch sorgfältige überwachung der gesamten Energie und der zeitlichen Verteilung der dem Widerstand 16 zugeführte Energie kann die Blase in einen weiten Bereich von Größen wachsen. Es wird indessen sichergestellt, daß die gesamte von der Tinte absorbierte Energie nicht so groß ist, daß Dampf aus der öffnung ausgetreten wird. Stattdessen beginnt die Blase sich wieder auf den Widerstand 16 in.Figur 4c zurückzubilden, während der an die

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Tinte übertragene Impuls in Vorwärtsrichtung aufgrund der Blasenerweiterung dazu führt, daß ein Tintentröpfchen von der öffnung vorwärts getrieben wird. Dabei ist jedoch anzumerken, daß das Tröpfchen von einem oder mehreren Satellitentröpfchen begleitet sein kann, was von der verwendeten Tinte, der Geometrie der öffnung und der zugeführten Spannung abhängt. Nachdem der Tropfen die öffnung verlassen hat, bricht die Blase vollständig an oder nahe an der Ausgangsstelle gemäß Figur 4d zusammen. Die Tinte wird dann wieder durch Kapillarwirkung gemäß Figur 4e eingefüllt, und das Tintentröpfchen landet nachfolgend auf der Druckfläche. Figur 4f stellt den in seiner ursprünglichen Lage gefüllten Kanal dar, der für einen anderen Zyklus bereit ist. Das Drucken erfolgt dann, indem aufeinanderfolgend eine Spannung an einen Widerstand 16 in einer geeigneten Folge angelegt wird, während die öffnung und die Druckfläche transversa! zueinander bewegt werden, um ein gewünschtes Muster zu erzeugen.

Es versteht sich, daß bei der beschriebenen Anordnung die speziellen Abmessungen, einschließlich derer des Substrates, des Kapillarblocks und des Kapillarkanals sich in einem weiten Bereich von Werten ändern können, was abhängt von den Vorgaben bezüglich der Masse des Konstruktionsmateriales und der Konstruktionstechnik, der Tröpfchengröße, der Kapillarfüllgeschwindigkeit, der Tintenviskosität und der Oberflächenspannung. Auch ist es im Gegensatz zum Stand der Technik weder erforderlich, daß die Leitfähigkeit der Tinte angepaßt wird an einen hohen Heizwert I²R noch daß die Tinte überhaupt elektrisch leitfähig ist.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß der zum Ausstoßen eines Tintentröpfchens aus der öffnung erforderliche Impuls hervorgerufen wird durch die Erweiterung einer Blase und nicht durch eine Druckwelle, die einem piezo-elektrischen Kristall oder einer anderen Einrichtung zugeführt wird. Eine sorgfältige Steuerung der Energieübertragung vom Widerstand 16 an die Tinte stellt sicher, daß der Tintendampf nicht von der Öffnung zusammen mit dem Tröpfchen entweicht. Stattdessen bricht die Blase in sich selbst zusammen und

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vermeidet jegliches Versprühen von Tintendampf. Im übrigen ist eine sorgfältige Steuerung der Zeitfolge der Energieübertragung von entscheidender Wichtigkeit.

Obgleich ein einziger "rechteckförmiger" Stromimpuls von etwa 1 A mit einer Dauer von 5 [is durch den Widerstand 16 das vorgenannte Ergebnis bringt, ist diese einfache Lösung nicht für alle möglichen Strahlkonfigurationen verwendbar. Zusätzlich ergibt sich das Problem, wenn eine größere Blase erzeugt werden soll, daß eine größere öffnung vorgesehen werden muß oder daß eine höhere Ausschußgeschwindigkeit für das Tröpfchen erreicht werden soll. Falls der Impuls länger gemacht wird, um der Tinte mehr Energie zuzuführen, kann aufgrund der statistischen Natur der Blasenbildung eine wesentliche zeitliche Instabilität auftreten. Wenn andererseits die Pulshöhe angehoben wird, um das Problem der Zeitverschiebung in den Griff zu bekommen, führendie dann erforderlichen wesentlich höheren Stromdichten zu einem vorzeitigen Ausbrennen des Widerstands aufgrund von Elektronenwanderung.

Jedes dieser Probleme kann im wesentlichen vermieden werden durch die Lösung, die in Figur 5 erläutert ist. Dabei ist kein Gleichspannungspegel erforderlich, sondern es wird ein zusammengesetzter Impuls IP verwendet, um die Tinte in der Nachbarschaft des Widerstands 16 mit einer Geschwindigkeit vorzuerhitzen, die tief genug ist, um eine Blasenbildung zu vermeiden. Dem Impuls IP folgt ein blasenbildender Impuls IN, welcher den Widerstand 16 sehr schnell aufheizt bis nahe zu dem überhitzungsgrenzwert der Tinte, d.h. zu dem Punkt, bei dem eine Blase spontan in der Tinte entsteht. Der auf diese Weise gebildete Blasennukleus wächst sehr schnell und dessen endgültige Größe wird bestimmt durch das Volumen der durch den Vorläuferimpuls IP erhitzten Tinte. Während der Wachstumsphase der Blase wird die Spannung am Widerstand 16 im allgemeinen auf Null vermindert, da die Wärmeübertragung an die Tinte sehr wenig wirksam während dieser Zeit ist und ein Aufrechterhalten des Stromes zu einer überhitzung des Widerstandes führen kann.

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Bei einer typischen Anordnung ist der Widerstand 16 etwa 3 Ohn^und die Impulshöhe des Impulses IP liegt in der Größenordnung von 3 A mit einer Impulsbreite TP von etwa 40 ms, und die Impulshöhe des Impulses IN ist in der Größenordnung von 1 A mit einer Impulsbreite TN von etwa 5yus. Da diese Parameter sich in einem weiten Bereich ändern können, ist es besser sie entsprechend den typischen Bereichen zu betrachten, welche im Betrieb auftreten: 0* R* 100 Ohm; O.*IP<3 A mit 10us*.TP* 100ps und 0,01A<-IN* 5A mit Ops^TN^IO ms.

Die Steuerung der Blasenbildung kann auch in anderer Weise vorgenom-

■ι men werden, beispielsweise durch Pulsabstandsmodulation oder Pulshöhenmodulation. Bei einer weiteren in Figur 6 erläuterten Ausführungsform nimmt die Größe des Vorläuferimpulses von dessen ursprünglichem Wert von etwa 0,5 A auf einen Wert von etwa 0,2 A ab, bevor der blasenbildende Impuls beginnt. Die Form des Vorlauferimpulses als Funktion der Zeit ändert sich mit 1/ίΠΓ, wodurch der Widerstand ungefähr auf einer konstanten Temperatur gehalten wird. Dadurch wird die Energieverteilung in der Tinte vor der Blasenbildung optimiert, und es wird die zur Blasenbildung erforderliche Impulsbreite herabgesetzt, während gleichzeitig die Reproduzierbarkeit der Blasenbildung erhöht wird.

In Figur 7a und 7b wird ein Tintenstrahl-Druckkopf dargestellt mit mehr als einer öffnung, und diese Ausführungsform der Erfindung kommt der kommerziellen Anwendung näher. Die sogenannte "edgeshooter" (Randspritz)-Anordnung besteht aus einem Substrat 71 und einem Kapillarblock 75 mit mehreren Tintenkapillarkanälen 77, die sich an der Grenzfläche des Substrates und des Kapillarblocks befinden. Typische für das Substrat 71 verwendete Materialien sind elektrische Isolatoren wie Glas, Keramik, beschichtetes Metall oder Silizium, wobei die für den Kapillarblock 75 verwendeten Materialien im allgemeinen wegen der einfachen Herstellung bezüglich Tintenkapillarkanälen 77 verwendet werden. Beispielsweise besteht der Kapi 11 arblock 75 typi.scherweise aus geschmolzenem Glas, geätztem Silizium oder geätztem Glas. In seinem Aufbau kann das Substrat 71 und der Kapillarblock 75 in verschiedener Weise miteinander

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Int. Az.: Case 1530 - 12 -

abgedichtet werden, beispielsweise durch Epoxydharz, anodische Bondierung oder Abdichtungsglas. Die Abstände D6 und D7 entsprechend dem Kanalabstand und den Kanalbreiten werden durch die gewünschte Trennung und Größe der Tintenstrahlen bestimmt. Der Kanal 79 ist ein Reservoirkanal zur Nachlieferung der Tinte an die Tintenkapillarkanäle 77 von einem entfernten nicht dargestellten Tintenreservoir.

Es ist auf dem Substrat 71 eine Anzahl von Widerständen 73 dargestellt, wobei sich ein Widerstand auf dem Boden jedes Kapillarkanals 77 befindet. Auch ist eine entsprechende Anzahl von elektrischen Verbindungen 72 vorgesehen, welche elektrische Leistung an die verschiedenen Widerstände 73 liefern. Beide Widerstände 73 und elektrische Verbindungen 72 können gebildet werden, indem herkömmliche elektronische Fabrikationstechniken verwendet werden, beispielsweise physikalische oder chemische Dampfbeschichtung. Typische Materialien für elektrische Verbindungen 72 sind Chrotn/Gol.d (beispielsweise eine dünne Unterschicht von Chrom zur Adhäsion mit einem Überzug aus Gold zur Leitfähigkeit) oder Aluminium. Geeignete Materialien für die Widerstände 73 sind typischerweise Platin, Titan-Wolfram, Tantal-Aluminium, diffundiertes Silizium oder andere amorphe Legierungen. Andere Materialien wären für diese verschiedenen Funktionen auch geeignet; es müssen indessen Materialien vermieden werden, welche korrodieren oder zu Elektroplattierungen infolge der verschiedenen möglicherweise verwendeten Tinten neigen. Diese Probleme ergeben sich beispielsweise bei Tinten auf der Basis von Wasser bezüglich Aluminium und Tantal-Aluminium bei den typischerweise verwendeten Strömen und Widerstandswerten, d.h. bei Widerständen im Bereich von 3 bis 5 Ohm und Strömen in der Größenordnung von 1 A.

Diese beiden Materialien können indessen verwendet werden, wenn eine geeignete Passivierungsschicht vorgesehen wird, um die elektrischen Leiter und Widerstände gegenüber der Tinte zu isolieren.

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Int. Az.: Case 1530 - 13 -

Aus Figur 8 geht eine andere Ausführungsfora eines "edge-shooter"-Tintenstrahldruckkopfes in Querschnitt hervor. Bei ^:dieser Ausführungsform wird die thermische Energie zum Erhitzen einer Blase in der Tinte durch einen Widerstand 83 erzeugt. Wie bei der vorherigen Ausführungsform befindet sich der Widerstand 83 in einem kleinen Abstand (etwa 0,075 mm) von der öffnung eines Tintenkanales 82 (Anmerkung: der Querschnitt gemäß Figur 8 verläuft durch den Widerstand 83, so daß.die Tintenkanal öffnung nicht dargestellt ist). Bei dieser Ausführungsform ist ein Substrat 81 vorgesehen, welches typischerweise aus Glas besteht und befestigt ist an einem geätztem Siliziumkapillarblock 89, der den Tintenkanal 82 ausbildet, über dem Kapillarblock 89 und dem Tintenkanal 82 befindet sich eine Membran 87, die typischerweise aus einem wärmebeständigem, elektrisch nicht leitfähigen, thermisch leitfähigen flexiblen Material wie Siliziumkarbid, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder Bornitrid besteht. Der Widerstand 83 ist auf der Membran 87 durch herkömmliche Technik aufgebracht, und die elektrische Leistung wird dem Widerstand 83 durch eine Metallisierungsschicht 85 auf jeder Seite des Widerstands zugeführt.

Der Vorteil dieser Anordnung relativ zu einer nicht flexiblen Struktur besteht darin, daß sie die Lebensdauer der Einrichtung verbessert. Auch wird der Aufbau vereinfacht, da die Struktur aus einem Substrat 81, einem Kapillarblock 89 und einer Membran 87 besteht und im wesentlichen fertiggestellt werden kann, bevor die Widerstands- und Metallisierungsschichten aufgebracht werden. Wie bei der vorhergehenden Ausführungsform kann diese besondere Struktur leicht angepaßt werden an Einrichtungen mit vielen Kanälen, welche im Massenverfahren hergestellt werden können. Diese Konzeption kann abgewandelt werden durch einen Widerstand auf einer flexiblen Membran. Beispielsweise könnte durch geeigneter Wahl der Materialien die flexible Membran als eine separate Struktur vollkommen vermieden werden, indem ein Widerstand vorgesehen wird, der selbst flexibel und selbsttragend ist.

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Int. Az.: Case 1530 - 14 - OI /Q O I

Aus Figur 9a und 9b geht wirderum eine andere AusfUhrungsform für einen thermischen Tintenstrahl-Druckkopf, eine sogenannte "sideshooter" (Seitenspritz)-Einrichtung hervor. Bei dieser Anordnung ist ein Substrat 9t vorgesehen, welches typischerweise aus Glas oder einem anderen inerten, starren, thermisch leitenden Material besteht. Es sind elektrische Verbindungen zu einem Widerstand 93 durch zwei Leiter 92 in im wesentlichen der gleichen Weise vorgesehen, wie bei der Konstruktion gemäß Figur 7a und 7b. Der Abstand zwischen dem .Substrat 91 und einem Deckel 95 wird aufrechterhalten durch zwei-.Kunststoff-Abstandselemente 94, wobei ein Kapillarkanal 96 für die Tinte ausgebildet wird, die zum Widerstand fließt. Es ist ersichtlich, daß zur Ausbildung eines geeigneten Abstandes auch andere Techniken denkbar sind. Beispielsweise könnte anstelle von Kunststoffmaterial das Glassubstrat selbst geätzt werden, um einen ■ solchen Kanal auszubilden.

Bei dieser Ausführungsform besteht der Deckel 95 typischerweise aus Silizium, um eine geeignete kristalline Struktur auszubilden zum Ätzen eines sich verjüngenden Loches, welches als Öffnung 97 für den Tintenstrahl dient. Die öffnung 97 befindet sich direkt gegenüber dem Widerstand 93 und kann entsprechend US-PS 4 007 464 hergestellt werden. Die Größe der Öffnung 97 liegt typischerweise in der Größenordnung von 0,t mm. Es ist wichtig anzumerken, daß auch viele andere Materialien verwendet werden könnten für den Deckel Beispielsweise könnte eine Metallschicht mit Löchern verwendet werden, die sich unmittelbar gegenüber den entsprechenden Widerständen befinden, oder es konnte sogar ein Kunststoffdeckel verwendet werden.

Aus Figur 10a geht eine typische Anordnung hervor, welche bei einer kommerziellen Anwendung eines derartigen Systemes mit mehrfachen Strahlen verwendet werden könnte. Bei dieser Ausführungsform besteht das Substrat 101 typischerweise aus Glas, auf welchem zwei Glas-Abstandselemente 104 angeordnet sind, um die Tinte 102 aufzunehmen. Es ist ein Siliziumdeckel 105 mit einer Reihe von geätzten sich verjüngenden Löchern vorgesehen, die durch das Loch 107 dar-

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gestellt werden. Jedes Loch ist abgesetzt in eine Rinne 108, so daß ein dicker Deckel verwendet werden kann, welcher die mechanische Stabilität der Einrichtung erhöht, um ein größeres Druckkopfsystem für Mehrfachstrahlen zu tragen. Das Element 109 ist ein Füll rohr, welches mit einem nicht dargestellten entfernten Reservoir verbunden ist, um einen kontinuierlichen Vorrat von Tinte an das Widerstands/Üffnungssystem abzugeben.

Figur 10b zeigt einen Teil des Substrates 101 vom Deckel aus gesehen. Dabei ist ein zweiter Widerstand 106 dargestellt, der sich auch längs der Rinne 107 gemäß Figur 10a erstreckt. Die elektrische Leistung wird Widerständen 103 und 106 durch zwei unabhängige elektrische Leitungen 110 bzw. 111 sowie durch eine gemeinsame Erdleitung 112 zugeführt. Um zu verhindern, daß Tinte von der öffnung 107 ausgestoßen wird, wenn der Widerstand 106 erhitzt wird, ist eine Sperrschicht 113 zwischen den Widerständen 106 und 103 vorgesehen. Bei dieser Ausführungsform besteht die Sperrschicht 113 typischerweise aus Glas, Silizium, Photopolymer, mit Glasperlen gefülltem Epoxydharz oder nicht leitendem Metall, das auf dem Substrat oder der Innenseite des Deckels aufgebracht ist. Zusätzliehe Verfahren zum Anbringen von Sperrschichten können verwendet werden, falls ein Metalldeckel verwendet wird. Beispielsweise könnten Sperrschichten direkt durch Metall plattierung auf der Innenseite des Metall deckeis angeordnet werden. Aus Figur 11 geht eine andere Ausführungsform eines Seitenspritz-Druckkopfes hervor, der die Membran und den externen Widerstand gemäß Figur 8 enthält. Der Aufbau dieses Druckkopfes ist identisch mit demjenigen gemäß Figur 10 mit der Ausnahme, daß das Substrat durch eine Membran ersetzt wurde, die wiederum typischerweise aus Siliziumkarbid, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder Bornitrid und einem Substrat 121 besteht. Auf der Membran 120 und außerhalb der Tinte befindet sich ein Widerstand 123. Wie bei den vorhergehenden Beispielen wird die elektrische Verbindung zum Widerstand 123 durch zwei Leiter 122 hergestellt. Das Substrat 121 dient zur strukturellen Stabilität und besteht typischerweise aus geätztem Glas oder geätztem Silizium und hat eine Ausnehmung nahe dem Widerstand 123,

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Int. Az.: Case 1530 3223BB7

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welche ein Krümmen der Membran 120 gestattet.

Offensichtlich sind viele weitere Ausführungsformen mit verschiedenen Arten von Materialien und verschiedenen geometrischen Anordnungen je nach dem betreffenden Verwendungszweck denkbar. Innerhalb gewisser Grenzen und abhängig von den verwendeten Tinten führen größere Öffnungen zu einer größeren Tropfenabmessung und kleinere Öffnungen führen zu kleineren Tropfengrößen. In ähnlicher Weise hängt die Maximal frequenz für das Ausstoßen der Tintentropfen von der thermischen Relaxationszeit des Substrates und der Nachfüll zeit ab. Auch können elektrische Eigenschaften der Tinte zu verschiedenen geometri-' sehen Anordnungen führen. Sollte beispielsweise der Stromfluß durch die Tinte ein Problem werden wegen sehr leitfähiger Tinte, so können Passivierungsschichten über den Widerständen selbst und über den Leitern angeordnet werden, um die Leitfähigkeit herabzusetzen.

Leerseite

Claims

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Int. Az.: Case 1530 . 15. JuIi 198Z*"*;'

PATENTANSPRÜCHE

JVerfahren zum Austreiben eines Flüssigkeitströpfchens aus einer Öffnung eines eine Flüssigkeit enthaltenden Kapillarkörpers, dadurch gekennzeichnet, daß eine ausreichende Energiemenge an die Flüssigkeit übertragen wird, um einen Teil der Flüssigkeit zu verdampfen und eine Blase in dem die Flüssigkeit enthaltenden Kapillarkörper hervorzurufen, welche bewirkt, daß ein Flüssigkeitströpfchen aus der Öffnung ausgestoßen wird, während diese Energiemenge nijcht ausreicht, um verdampfte Flüssigkeit aus der Öffnung entweichen zu lassen.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim übertragen einer Energiemenge ein Teil der Flüssigkeit auf eine Temperatur unter dem Wert erhitzt wird, bei dem eine Blase in der Flüssigkeit gebildet wird und dieser Teil der Flüssigkeit auf eine Temperatur nahe der überhitzungsgrenze schnell erhitzt wird, um die Blasenbildung hervorzurufen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Übertragung einer Energiemenge an die Flüssigkeit dieser Teil der Flüssigkeit mit einem Widerstand in Wärmekontakt gebracht wird,

ein Strom durch den Widerstand geleitet wird zur Erhitzung dieses Teiles der Flüssigkeit auf eine Temperatur unter dem Wert, bei dem eine Blase erzeugt wird und
ein größerer Strom durch den Widerstand geleitet wird, so daß dieser Teil der Flüssigkeit schnell auf eine Temperatur nahe dem überhitzungsgrenzwert erhitzt wird und die Blasenbildung bewirkt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom zur Erhitzung eines Teils der Flüssigkeit unter dem Wert, bei dem eine Blase entsteht, im wesentlichen mit der Quadratwurzel des Kehrwerts der Zeit schwankt.

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5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e kennzeichnet, daß die Flüssigkeit Tinte enthält.
6. Tintenstrahldrucker zum Betrieb nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, gekennzeichnet durch einen Kapillarkörper (17, 79, 82, 96) zur Aufnahme der Tinte mit einer Öffnung (97, 107, Fig. 1, 7 oder 8) zum Ausstoßen der Tinte und eine Heizeinrichtung (16, 72, 83, 93, 103, 123) nahe der öffnung zum Obertragen einer ausreichenden Energiemenge an die Tinte, so daß ein Teil der Tinte in dem Kapillarkörper verdampft und ein Tintentröpfchen aus der Öffnung ausgestoßen wird, während diese Energiemenge nicht dazu ausreicht, daß auch Tintendampf aus der Öffnung entweicht.
7. Tintenstrahldrucker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung nacheinander die Energiemenge an die Tinte in einer gewünschten Folge derart übertragen kann, daß eine entsprechende Folge von Tintentröpfchen aus der Öffnung ausgestoßen wird.
8. Tintenstrahldrucker nach Anspruch 6 oder 7, dadurch g e k e η η zeichnet, daß der Kapillarkörper ein Substrat (11, 77, 91, 101) und einen Deckel (15, 75, 95, 105) umfaßt, das Substrat und der Deckel einen Zwischenraum zur Aufnahme der Tinte ausbilden und der Zwischenraum mit der Öffnung verbunden ist.
9. Tintenstrahldrucker nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat und der Deckel eine Grenzfläche ausbilden und die Öffnung an der Grenzfläche angeordnet ist. (Fig. 1, 7) .
10. Tintenstrahldrucker nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Heizeinrichtung einen Widerstand enthält.

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11. Tintenstrahldrucker nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand innerhalb des Zwischenraums angeordnet ist.
12. Tintenstrahldrucker nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnung sich im Deckel befindet. (Fig. 9, 10)
13. Tintenstrahldrucker nach Anspruch 12,. dadurch gekennzeichnet, daß der Kapillarkörper eine Membran (87, 120) und ein Substrat (81, 121) enthält, und die Membran und das Substrat zwischen sich einen Raum zur Aufnahme von Tinte ausbilden, der mit der Öffnung verbunden ist.
14. Tintenstrahldrucker nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung auf der Membran gegenüber der Tinte angeordnet ist.
15. Tintenstrahldrucker nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran flexibel ist.
16. Tintenstrahldrucker nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran Siliciumcarbid, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid und/oder Bornitrid enthält.
17. Tintenstrahldrucker nach Anspruch 16, dadurch ge kennzeich net, daß der KapiTierkörper einen Deckel (105) und eine Membran (120) enthält und beide zwischen sich einen Raum zur Aufnahme von Tinte ausbilden, der mit der Öffnung verbunden ist..
18. Tintenstrahldrucker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kapillarkörper eine Vielzahl von Öffnungen in einem festen Abstand voneinander sowie eine Vielzahl von Heizeinrichtungen enthält, die jeweils einer speziellen Öffnung entsprechen.
19. Tintenstrahldrucker nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen in einer geraden Linie angeordnet sind.