DE60126893T2

DE60126893T2 - Flüssigkeitsausstossgerät

Info

Publication number: DE60126893T2
Application number: DE60126893T
Authority: DE
Inventors: Arthur M. Penfield Gooray; George J. Penfield Roller; Paul Albuquerque Galambos; Frank J. Albuquerque Peter; Kevin Bernilillo Zavaldi; Richard C. Albuquerque Givler; Russel D. Albuquerque Humphreys; Jerffry J. Edgewood Sniegowski; Joseph Jr. Morgan Hill Crowley
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 2000-11-24
Filing date: 2001-11-12
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2021-11-13
Also published as: US6350015B1; DE60126893D1; EP1208984B1; JP2002187272A; EP1208984A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft auf einem mikroelektromechanischen System (MEMS) basierende Ausstoßvorrichtungen oder mikrogefertigte Fluid-Ausstoßvorrichtungen.
Es sind Fluid-Ausstoßvorrichtungen für Tintenstrahlaufzeichnung oder -drucken entwickelt worden. Tintenstrahl-Aufzeichnungsvorrichtungen weisen zahlreiche Vorteile auf, wobei dazu außerordentliche leise Funktion beim Aufzeichnen, sehr schnelles Drucken, ein hoher Grad an Freiheit bei der Auswahl von Druckfarbe und die Möglichkeit, kostengünstiges einfaches Papier zu verwenden, gehören. Bei dem sogenannten "Drop-on-demand"-Antriebs- bzw. Ansteuerverfahren, das mittlerweile die herkömmliche Technik ist, wird Tinte nur ausgegeben, wenn sie zum Aufzeichnen benötigt wird. Das Drop-on-demand-Antriebsverfahren macht das Zurückführen von nicht zum Aufzeichnen benötigter Tinte überflüssig.
Fluid-Ausstoßvorrichtungen zum Tintenstrahldrucken enthalten eine oder mehrere Düsen, die die Erzeugung und Steuerung kleiner Tintentröpfchen zulassen, um hohe Auflösung zu ermöglichen, so dass schärfere Zeichen mit verbesserter tonaler Auflösung gedruckt werden können. Das heißt, Drop-on-demand-Tintenstrahl-Druckköpfe werden im Allgemeinen für hochauflösende Drucker verwendet.
Die Drop-on-demand-Technologie verwendet im Allgemeinen eine Impuls-Erzeugungseinrichtung, um die Tintentropfen zu erzeugen und auszustoßen. Bei einem Typ Tintenstrahl-Druckkopf kann beispielsweise eine Kammer, die eine Tintendüse aufweist, mit einer piezoelektrischen Wand versehen werden, die verformt wird, wenn eine Spannung angelegt wird. Aufgrund der Verformung wird ein Tropfen der Flüssigkeit über die Düsenöffnung ausgedrückt und trifft direkt auf einer zugehörigen Druckfläche auf. Der Einsatz einer derartigen piezoelektrischen Vorrichtung als Düsen-Antriebseinrichtung ist in JP B-1990-51734 beschrieben.
Bei einem anderen Typ Druckkopf werden Blasen verwendet, die durch Wärmeimpulse erzeugt werden, um Fluid über die Düse auszudrücken. Die Tropfen werden von dem Tintenvorrat getrennt, wenn die Blasen zusammenfallen. Der Einsatz von Druck, der durch Erhitzen der Tinte erzeugt wird, um Blasen zu erzeugen, wird in JP-B-1986-59911 beschrieben.
Ein weiterer Typ des "Drop-on-demand"-Druckkopfes enthält einen elektrostatischen Aktor. Dieser Typ Druckkopf nutzt elektrostatische Kraft, um die Tinte auszustoßen. Beispiele für derartige elektrostatische Druckköpfe sind in US-A-5,754,205, US-A-4520375, JP-A-289351/90 beschrieben. Der Tintenstrahl-Druckkopf, der in dem Patent US-A-4520375 erläutert wird, verwendet einen elektrostatischen Aktor, der eine Membran umfasst, die einen Teil einer Tinten-Ausstoßkammer bildet, sowie eine Grundplatte, die außerhalb der Tinten-Ausstoßkammer gegenüber der Membran angeordnet ist. Der Tintenstrahl-Druckkopf stößt Fluidtröpfchen über eine Düse aus, die mit der Ausstoßkammer in Verbindung steht, indem eine zeitlich variierende Spannung zwischen der Membran und der Grundplatte angelegt wird. Die Membran und die Grundplatte wirken so als ein Kondensator, der bewirkt, dass die Membran in mechanische Bewegung versetzt wird und ein Tropfen des Fluids in Reaktion auf die Membranbewegung aus der Ausstoßkammer austritt. Der in JP-A-289351/90 erläuterte Tintenstrahl-Druckkopf verformt seine Membran hingegen, indem Spannung an einen elektrostatischen Aktor angelegt wird, der an der Membran befestigt ist. Dies führt zum Einsaugen von Fluid in die Ausstoßkammer. Wenn die Spannung aufgehoben wird, kehrt die Membran in ihren nicht verformten Zustand zurück und stößt das Fluid aus der Ausstoßkammer aus.
Fluidtropfen-Ausstoßvorrichtungen können nicht nur zum Drucken verwendet werden, sondern auch zum Auftragen von Fotoresist und anderen Flüssigkeiten in der Halbleiter- und Flachbildschirm-Industrie, zum Abgeben pharmazeutischer und biologischer Proben, zum Abgeben mehrerer Chemikalien für chemische Reaktionen, zum Handhaben von DNA-Sequenzen, zum Abgeben von Pharmaka und biologischen Materialien für Wechselwirkungsstudien und Analyse sowie zum Auftragen dünner und schmaler Schichten aus Kunststoff, die als Dauer- und/oder abnehmbare Dichtungen in Mikromaschinen eingesetzt werden.
Fluidstrahl-Ausstoßvorrichtungen nutzen, wie oben angemerkt, normalerweise thermische Betätigung, piezoelektrische Betätigung oder bei der Fluidstrahl-Ausstoßvorrichtung, die in US-A-5,754,205 offenbart wird, elektrostatische Betätigung, um Tropfen auszustoßen. Diese Arten von Betätigung können bei bestimmten Einsatzzwecken Nachteile mit sich bringen. So machen piezoelektrische Aktoren beispielsweise mehrstufige Montage in sehr kleinem Maßstab erforderlich, zu der Ausbilden und Anbringen des piezoelektrischen Materials in einer Ausstoßvorrichtungs-Anordnung gehören. Des Weiteren ist die entstehende piezoelektrische Aktoranordnung zu groß für effiziente dichte Packung. Thermische Aktoren machen eine relativ große Energiemenge erforderlich und können nur Tröpfchen einer Größe erzeugen. Elektrostatische Aktoren haben das Potenzial für kompakte, integrierte, monolithische Herstellung (d. h. nur geringe oder keine Montage erforderlich) bei veränderlicher Tropfengröße. Elektrostatische Aktoren sind jedoch empfindlich hinsichtlich der elektrischen Eigenschaften des Fluids einschließlich der Dielektrizitätskonstante, der Durchschlagspannung und der Leitfähigkeit des Fluids, da das Fluid wirksamer Bestandteil des Betätigungssystems ist.
WO-A-99/03680 offenbart eine magnetische Fluid-Ausstoßvorrichtung, die zwei Spulen umfasst. Indem Ströme an beide Spulen angelegt werden, wird eine Magnetkraft erzeugt. Die Magnetkraft bewegt zwangsweise ein bewegliches Element in der Ausstoßkammer, so dass Fluid aus der Kammer ausgestoßen wird. Der Oberbegriff der Ansprüche 1 und 5 basiert auf der Offenbarung dieses Dokuments.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Ausstoßen eines Fluids aus einer Fluid-Ausstoßvorrichtung, das Anlegen eines ersten Stroms an eine Primärspule umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Strom durch den ersten Strom in einer Sekundärspule induziert wird, wobei der zweite Strom eine Magnetkraft erzeugt, die ein bewegliches Element einer Fluid-Ausstoßvorrichtung bewegt, und als Ergebnis von Bewegung des beweglichen Elementes Fluid aus der Ausstoßvorrichtung ausgestoßen wird.
Die vorliegende Erfindung schafft Systeme und Verfahren, die eine leistungsfähige Fluid-Ausstoß-Antriebseinrichtung ermöglichen.
Die vorliegende Erfindung schafft separat eine Fluid-Ausstoß-Antriebsvorrichtung, die mit niedrigeren Kosten hergestellt werden kann.
Separat dazu schafft die vorliegende Erfindung Fluid-Ausstoß-Antriebsvorrichtungen, die unabhängig von dem auszustoßenden Fluid arbeiten.
Separat dazu schafft die vorliegende Erfindung Fluid-Ausstoß-Antriebsvorrichtungen, die die Tropfengröße auf Anforderung modulieren können.
Separat dazu schafft die vorliegende Erfindung Fluid-Ausstoß-Antriebsvorrichtungen, die mit einer verringerten angelegten Antriebsspannung arbeiten können.
Die vorliegende Erfindung schafft magnetische Fluid-Ausstoß-Antriebsvorrichtungen, die eine Stromschleife verwenden.
Die vorliegende Erfindung schafft separat magnetische Fluid-Ausstoß-Antriebsvorrichtungen, bei denen ein starkes magnetisches Feld bei einem bestimmten angelegten Strom erzeugt wird.
Die vorliegende Erfindung schafft separat magnetische Fluid-Ausstoß-Antriebsvorrichtungen, bei denen ein bestimmtes Magnetfeld mit einem reduzierten angelegten Strom erzeugt wird.
Die vorliegende Erfindung schafft separat magnetische Fluid-Ausstoß-Antriebsvorrichtungen, bei denen ein bewegliches Element durch eine abstoßende magnetische Kraft angetrieben wird.
Die vorliegende Erfindung schafft separat magnetische Fluid-Ausstoß-Antriebsvorrichtungen, bei denen ein bewegliches Element durch eine anziehende Magnetkraft angetrieben wird.
Die vorliegende Erfindung schafft separat eine mikrogefertigte Fluid-Ausstoßvorrichtung, bei der die erwähnten Nachteile verringert, wenn nicht sogar vollständig beseitigt weiden.
In verschiedenen beispielhaften Ausführungen der Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung werden Magnetkräfte genutzt, um ein bewegliches Element einer Fluid-Ausstoßvorrichtung anzutreiben. Verschiedene beispielhafte Ausführungen enthalten wenigstens eine Primär-Stromspule, an die ein Antriebssignal angelegt wird. Verschiedene beispielhafte Ausführungen nutzen Sekundärspulen, um ein gewünschtes Magnetfeld in der Fluid-Ausstoßvorrichtung zu erzeugen.
In verschiedenen beispielhaften Ausführungen bewegt die magnetische Fluid-Ausstoß-Antriebsvorrichtung gesteuert ein bewegliches Element der Fluid-Ausstoßvorrichtung in einer einzelnen Richtung. In verschiedenen anderen beispielhaften Ausführungen bewegt die magnetische Fluid-Ausstoß-Antriebsvorrichtung gesteuert das bewegliche Element in zwei einander entgegengesetzten Richtungen.
In verschiedenen beispielhaften Ausführungen stößt das bewegliche Element, wenn es angesteuert wird, Fluid aus. In verschiedenen anderen beispielhaften Ausführungen stößt das bewegliche Element Fluid aus, nachdem es angesteuert wurde.
Verschiedene Ausführungen gemäß der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
1 eine perspektivische Explosionsansicht einer Fluid-Ausstoßvorrichtung ist, die eine erste beispielhafte Konfiguration einer ersten beispielhaften Ausführung eines Magnetantriebssystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine Schnittansicht der Fluid-Ausstoßvorrichtung in 1 ist;
3 eine perspektivische Explosionsansicht einer zweiten beispielhaften Konfiguration der ersten beispielhaften Ausführung der in 1 dargestellten Fluid-Ausstoßvorrichtung ist;
4 eine Schnittansicht der Fluid-Ausstoßvorrichtung in 3 ist;
5 eine perspektivische Explosionsansicht einer dritten beispielhaften Konfiguration der in 1 gezeigten ersten beispielhaften Ausführung der Fluid-Ausstoßvorrichtung ist;
6 eine Schnittansicht der Fluid-Ausstoßvorrichtung in 5 ist;
7 eine perspektivische Explosionsansicht einer vierten beispielhaften Konfiguration der in 1 gezeigten ersten beispielhaften Ausführung der Fluid-Ausstoßvorrichtung ist;
8 eine Schnittansicht der Fluid-Ausstoßvorrichtung in 7 ist;
9 eine perspektivische Explosionsansicht einer Fluid-Ausstoßvorrichtung ist, die eine erste beispielhafte Konfiguration eines ersten Vergleichsbeispiels eines Magnetantriebssystems enthält;
10 eine Schnittansicht der Fluid-Ausstoßvorrichtung in 9 ist;
11 eine perspektivische Explosionsansicht einer zweiten beispielhaften Konfiguration des in 9 dargestellten ersten Vergleichsbeispiels der Fluid-Ausstoßvorrichtung ist;
12 eine Schnittansicht der Fluid-Ausstoßvorrichtung in 11 ist;
13 eine perspektivische Explosionsansicht einer dritten beispielhaften Konfiguration des in 9 dargestellten ersten Vergleichsbeispiels der Fluid-Ausstoßvorrichtung ist;
14 eine Schnittansicht der Fluid-Ausstoßvorrichtung in 13 ist;
15 eine perspektivische Explosionsansicht einer vierten beispielhaften Konfiguration des in 9 dargestellten ersten Vergleichsbeispiels der Fluid-Ausstoßvorrichtung ist;
16 eine Schnittansicht der Fluid-Ausstoßvorrichtung in 15 ist;
17 eine perspektivische Explosionsansicht einer Fluid-Ausstoßvorrichtung ist, die eine erste beispielhafte Konfiguration eines zweiten Vergleichsbeispiels eines Magnetantriebssystems enthält;
18 eine Schnittansicht der ersten beispielhaften Konfiguration der Fluid-Ausstoßvorrichtung in 17 in einem ersten Antriebszustand ist;
19 eine Schnittansicht der ersten beispielhaften Konfiguration der Fluid-Ausstoßvorrichtung in 17 in einem zweiten Antriebszustand ist;
20 eine perspektivische Explosionsansicht einer zweiten beispielhaften Konfiguration des in 17 dargestellten zweiten Vergleichsbeispiels der Fluid-Ausstoßvorrichtung ist;
21 eine Schnittansicht der zweiten beispielhaften Konfiguration der Fluid-Ausstoßvorrichtung in 20 in einem ersten Antriebszustand ist;
22 eine Schnittansicht der zweiten beispielhaften Konfiguration der Fluid-Ausstoßvorrichtung in 20 in einem zweiten Antriebszustand ist;
23 eine Schnittansicht einer Fluid-Ausstoßvorrichtung ist, die eine erste beispielhafte Konfiguration eines dritten Vergleichsbeispiels eines Magnetantriebssystems enthält;
24 eine Schnittansicht einer zweiten beispielhaften Konfiguration des in 23 dargestellten dritten Vergleichsbeispiels der Fluid-Ausstoßvorrichtung ist; und
25 eine Schnittansicht einer dritten beispielhaften Konfiguration des in 23 dargestellten dritten Vergleichsbeispiels der Fluid-Ausstoßvorrichtung ist.
Die Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung arbeiten durch magnetisches Ansteuern bzw. Antreiben einer Fluid-Ausstoßvorrichtung. Obwohl die folgende Beschreibung anhand einer beispielhaften Ausstoßvorrichtung erfolgt, die eine Konfiguration aus Kolben und Blende hat, versteht sich, dass die Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung auch bei verschiedenen anderen Konfigurationen von Fluid-Ausstoßvorrichtungen eingesetzt werden können und in ihnen ausgeführt werden können. So können die Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung leicht bei Membran-Konfigurationen oder anderen derzeit bekannten oder in Zukunft zu entwickelnden Konstruktionen von Fluid-Ausstoßvorrichtungen eingesetzt werden.
Die Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung nutzen magnetisch erzeugte Kräfte, um ein bewegliches Element der Fluid-Ausstoßvorrichtung zu bewegen. Eine derartige Magnetantriebseinrichtung hat Vorteile gegenüber elektrostatischen und thermischen Betätigungs-Antriebsvorrichtungen insofern, als die magnetische Antriebsvorrichtung unabhängig von dem Fluid ist. Daher kann jedes beliebige Fluid verwendet werden. Die magnetische Antriebseinrichtung schafft des Weiteren einen Antrieb mit niedriger Spannung, wenn auch bei höherem Strom, als eine herkömmliche elektrostatische Betätigungs-Antriebseinrichtung.
Wenn eine Konfiguration aus Kolben und Blende verwendet wird, können die magnetisch erzeugten Kräfte den Kolben auf die Blende zu antreiben und einen Tropfen über ein Düsenloch in der Blende ausstoßen. Dies ermöglicht direkte oder aktive Steuerung des Fluid-Ausstoßprozesses.
Als Alternative dazu können die Magnetkräfte den Kolben von der Blende weg bewegen. In diesem Fall kann der Kolben unter Verwendung elastischer Kräfte, die den Kolben in seine Ruheposition zurückführen, einen Tropfen über das Düsenloch ausstoßen. Dies ermöglicht indirekte oder passive Steuerung des Fluid-Ausstoßprozesses.
Es sollte auch bemerkt werden, dass die Magnetkräfte genutzt werden können, um den Kolben sowohl auf die Blende zu als von ihr weg zu bewegen. Dies ermöglicht direkte oder aktive Steuerung des Fluid-Ausstoßprozesses und wirkt auch unterstützend beim Auffüllen des Fluids in die Ausstoßvorrichtung.
1–8 zeigen verschiedene beispielhafte Konfigurationen einer ersten beispielhaften Ausführungsform einer Fluid-Ausstoßvorrichtung 100, die ein Magnetantriebssystem gemäß der vorliegenden Erfindung enthält. Es sollte bemerkt werden, dass die in
1–8 dargestellten Konfigurationen lediglich als Beispiele dienen und nicht erschöpfend oder begrenzend sind.
In der ersten beispielhaften Ausführung, die in 1–8 dargestellt ist, hat die Fluid-Ausstoßvorrichtung 100 einen federnd angebrachten beweglichen Kolben 110, der verwendet werden kann, um Fluid über ein Düsenloch 122 auszustoßen. Der Kolben 110 kann ein oder mehrere Federelemente 112 enthalten, die mit einem stationären Abschnitt der Fluid-Ausstoßvorrichtung 100 verbunden sind, wie beispielsweise einem Träger 102, wie dies in 2 dargestellt ist. Die Federelemente 112 spannen den Kolben 110 an eine Ruheposition. Die Fluid-Ausstoßvorrichtung 100 hat des Weiteren eine Blende 120, die das Düsenloch 122 enthält, über das ein Fluidtropfen ausgestoßen werden kann.
Eine Primärspule 130, an die ein Antriebssignal D anzulegen ist, befindet sich in der Fluid-Ausstoßvorrichtung 100. Des Weiteren befindet sich eine Sekundärspule 140 in der Fluid-Ausstoßvorrichtung 100. Die Primärspule 130 oder die Sekundärspule 140 ist mit dem Kolben 110 verbunden. Es sollte bemerkt werden, dass die Primärspule 130 oder die Sekundärspule 140 auf jede beliebige geeignete Weise mit dem Kolben 110 verbunden sein kann, die bewirkt, dass der Kolben 110 einer Kraft ausgesetzt wird, die auf die Primärspule 130 oder die Sekundärspule 140 wirkt. Die Primärspule 130 oder die Sekundärspule 140 kann beispielsweise, wie in 1 und 2 dargestellt, an einer Oberfläche des Kolbens 110 angebracht oder ausgebildet sein. Die Primärspule 130 oder die Sekundärspule 140 kann auch in dem Kolben 110 eingebettet oder als ein Teil desselben ausgebildet sein. Die andere Spule, d. h. die Primärspule 130 oder die Sekundärspule 140, ist mit einem stationären Abschnitt bzw. einer stationären Struktur der Fluid-Ausstoßvorrichtung 100 verbunden.
In Funktion wird ein Antriebssignal D durch eine Antriebssignal-Quelle an die Primärspule 130 angelegt. Das Antriebssignal D bewirkt, dass ein Strom in der Primärspule 130 fließt. Der Stromfluss in der Primärspule 110 erzeugt ein Magnetfeld. Gleichzeitig wird ein Strom in der Sekundärspule 140 induziert. Dadurch wird eine abstoßende Magnetkraft zwischen der Primärspule 110 und der Sekundärspule 140 erzeugt. Da die Primärspule 130 oder die Sekundärspule 140 mit dem Kolben 110 verbunden ist und die andere Spule, d. h. die Primärspule 130 oder die Sekundärspule 140, mit einem stationären Abschnitt oder einer stationären Struktur der Fluid-Ausstoßvorrichtung 100 verbunden ist, wird der Kolben 110 durch die Magnetkraft entweder auf die Blende 120 zu oder von ihr weg bewegt, die ebenfalls eine stationäre Struktur der Fluid-Ausstoßvorrichtung 100 ist.
Wenn die Magnetkraft den Kolben 110 von der Blende 120 weg bewegt, füllt Fluid aus einem Fluid-Vorratsbehälter (nicht dargestellt) den Raum zwischen der Blende 120 und dem Kolben 110. Dann wird, wenn das Antriebssignal D abgeschaltet wird, der Strom, der in der Primärspule 130 fließt, unterbrochen, so dass das Magnetfeld aufgelöst wird, der induzierte Strom beendet wird und die Magnetkraft aufgehoben wird. Der Kolben 110 kehrt dann unter der Spannung der Federelemente 112 federnd an seine Ruheposition zurück. Wenn der Kolben 110 von der Blende weg bewegt wird, um die Ausstoßkammer 104 zu füllen, bewirkt das Antriebssignal D, dass ein Tropfen Fluid über das Düsenloch 122 in der Blende 120 ausgestoßen wird. In diesem Fall wird Fluidausstoß indirekt oder passiv durch das Antriebssignal D gesteuert, da Fluid erst ausgestoßen wird, wenn das Antriebssignal D aufgehoben wird.
Wenn die Magnetkraft den Kolben 110 auf die Blende 120 zu bewegt, wird ein Tropfen Fluid über das Düsenloch 122 in der Blende 120 ausgestoßen. Dann wird, wenn das Antriebssignal D abgeschaltet wird, der in der Primärspule 130 fließende Strom unterbrochen, so dass das Magnetfeld aufgelöst wird, wodurch der in der Sekundärspule 140 induzierte Strom beendet wird und die Magnetkraft zwischen ihnen aufgehoben wird. Der Kolben 110 kehrt dann durch eine Kraft der Federn 112 elastisch an seine Ruheposition zurück und füllt so das ausgestoßene Fluid in der Fluid-Ausstoßvorrichtung 100 nach. In letzterem Fall wird Fluidausstoß direkt oder aktiv durch das Antriebssignal D der Antriebssignal-Quelle gesteuert.
1 und 2 zeigen eine erste beispielhafte Konfiguration der Fluid-Ausstoßvorrichtung 100, bei der die Primärspule 130 mit der Blende 120 verbunden ist. Ein erster Stromweg wird durch die Primärspule 130 definiert. Die Sekundärspule 140 ist mit dem Kolben 110 verbunden. Ein zweiter Stromweg wird durch die Sekundärspule 140 definiert.
In Funktion legt die Antriebssignal-Quelle das Antriebssignal D an die Primärspule 130 an, so dass Strom in der Primärspule 130 in einer ersten Richtung fließt, wie dies durch die Pfeile der Stromflussrichtung an der Primärspule 130 angedeutet ist. Dadurch wird ein Magnetfeld erzeugt, das einen Strom in der Sekundärspule 140 in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zu der ersten Richtung induziert, wie dies durch die Pfeile der Stromflussrichtung an der Sekundärspule 140 angedeutet ist. Die Ströme in der Primär- und der Sekundärspule 130 und 140 erzeugen eine abstoßende Magnetkraft, die den Kolben 110 von der Blende 120 wegdrückt, wodurch zusätzliches Fluid in die Fluidkammer 140 eintritt, die zwischen dem Kolben 110 und der Blende 120 ausgebildet ist, und sie überfüllt.
Wenn das Antriebssignal D abgeschaltet wird, wird der in der Primärspule 130 fließende Strom unterbrochen, das Magnetfeld wird aufgelöst, der in der Sekundärspule 140 fließende Strom wird unterbrochen und die abstoßende Magnetkraft, die auf den Kolben 110 wirkt, wird aufgehoben. Der Kolben 110 kehrt dann durch die Spannung der Federelemente 112 an seine Ruheposition zurück. Diese Rückkehrbewegung bewirkt, dass ein Tropfen Fluid durch den Kolben 110 über das Düsenloch 122 ausgedrückt wird.
Es sollte bemerkt werden, dass die Funktion der ersten beispielhaften Konfiguration, die in 1 und 2 dargestellt ist, nur einen gesteuerten Strom erforderlich macht. Des Weiteren ändert die Umkehrung der Richtung des Stroms, der in der Primärspule 130 fließt, die Funktion des magnetischen Antriebssystems nicht. Die zweite Richtung des Stroms, der in der Sekundärspule 140 induziert wird, bleibt entgegengesetzt zu der ersten Richtung des in der Primärspule 130 fließenden Stroms. Das heißt, um den Wirbelstrom an der Sekundärspule 140 zu induzieren, ist der Stromfluss in der Primärspule 130, der durch Anlegen des Antriebssignals D erzeugt wird, ein Wechselstrom.
3 und 4 zeigen eine zweite beispielhafte Konfiguration der Fluid-Ausstoßvorrichtung 100, bei der die Primärspule 130 mit dem Kolben 110 verbunden ist und die Sekundärspule 170 mit der Blende 120 verbunden ist. Die Funktion dieser zweiten beispielhaften Ausführung ist identisch zu der oben für die in der 1 und 2 dargestellte erste Konfiguration beschriebenen. Wiederum ist nur ein gesteuerter Wechselstrom in der Primäispule 130 erforderlich. Die unterschiedlichen Konfigurationen in 1 sowie 2 und 3 sowie 4 ermöglichen Flexibilität beim Einrichten und Anordnen der Antriebssignal-Quelle.
5 und 6 zeigen eine dritte beispielhafte Konfiguration der Fluid-Ausstoßvorrichtung 100, bei der die Primärspule 130 mit dem Kolben 110 verbunden ist und die Sekundärspule 140 mit dem Träger 102 verbunden ist.
Bei dieser dritten Konfiguration legt in Funktion die Antriebssignal-Quelle das Antriebssignal D an die Primärspule 130 an, so dass Strom in der Primärspule 130 in der ersten Richtung fließt, wie dies durch die Pfeile der Stromflussrichtung an der Primärspule 130 angedeutet ist. Dadurch wird ein Magnetfeld erzeugt, das einen Strom in der Sekundärspule 140 in der zweiten Richtung entgegengesetzt zu der ersten Richtung induziert, wie dies durch die Pfeile der Stromflussrichtung an der Sekundärspule 140 angedeutet ist. Die Ströme in der Primär- und der Sekundärspule 130 und 140 erzeugen eine abstoßende Magnetkraft, die den Kolben 110 von dem Träger 102 weg und auf die Blende 120 zu drückt, so dass der Kolben 110 einen Tropfen Fluid über das Düsenloch 122 ausstößt.
Wenn das Antriebssignal D abgeschaltet wird, wird der in der Primärspule 130 fließende Strom unterbrochen, das Magnetfeld wird aufgelöst, der in der Sekundärspule 140 fließende Strom wird unterbrochen, und die auf den Kolben 110 wirkende abstoßende Magnetkraft wird aufgehoben. Der Kolben 110 kehrt dann durch die Spannung der Federelemente 112 an seine Ruheposition zurück. Diese Rückkehrbewegung bewirkt, dass Fluid die Fluidkammer 104 zwischen dem Kolben 110 und der Blende 120 füllt.
Die Funktion der in 5 und 6 dargestellten dritten Konfiguration erfordert ebenfalls nur einen gesteuerten Wechselstrom. Diese dritte beispielhafte Konfiguration steuert jedoch vorteilhafterweise direkt bzw. aktiv das Ausstoßen eines Fluidtropfens aus der Fluid-Ausstoßvorrichtung 100.
7 und 8 zeigen eine vierte beispielhafte Konfiguration der Fluid-Ausstoßvorrichtung 100, bei der die Primärspule 130 mit dem Träger 102 verbunden ist und die Sekundärspule 140 mit dem Kolben 110 verbunden ist. Die Funktion dieser vierten beispielhaften Konfiguration ist identisch zu der oben für die in 5 und 6 gezeigte dritte beispielhafte Ausführung beschriebenen. Wiederum ist nur ein gesteuerter Wechselstrom in der Primärspule 130 erforderlich, um die Fluid-Ausstoßvorrichtung 100 zu betreiben. Diese vierte beispielhafte Konfiguration steuert ebenfalls vorteilhafterweise direkt bzw. aktiv das Ausstoßen eines Tropfens Fluid aus der Fluid-Ausstoßvorrichtung 100. Die verschiedenen Konfigurationen in 5 und 6 und 7 und 8 ermöglichen jedoch Flexibilität bei der Einrichtung und Anordnung der Antriebssignal-Quelle.
9–16 stellen verschiedene beispielhafte Konfigurationen eines ersten Vergleichsbeispiels einer Fluid-Ausstoßvorrichtung 200 dar, die ein Magnetantriebssystem enthält. Es sollte bemerkt werden, dass die in 9–16 gezeigten Konfigurationen lediglich als Beispiel dienen und nicht erschöpfend oder begrenzend sind.
Bei dem in 9–16 gezeigten ersten Vergleichsbeispiel hat die Fluid-Ausstoßvorrichtung 200 einen beweglichen Kolben 210, der verwendet werden kann, um Fluid über ein Düsenloch 222 auszustoßen. Der Kolben 210 kann federnd angebracht werden, und ein oder mehrere Federelemente 212 enthalten, die mit einem stationären Abschnitt der Fluid-Ausstoßvorrichtung 200 verbunden sind, beispielsweise einem Träger 202, wie dies in 10 dargestellt ist. Die Federelemente 212 spannen den Kolben 210 an eine Ruheposition. Die Fluid-Ausstoßvorrichtung 200 hat des Weiteren eine Blende 220, die das Düsenloch 222 enthält, über das ein Tropfen Fluid ausgestoßen werden kann.
Eine Primärspule 230, an die ein Antriebssignal anzulegen ist, befindet sich in der Fluid-Ausstoßvorrichtung 200. Des Weiteren ist wenigstens ein Element, wie das Element 204, 214 oder 224 aus einem magnetischen Material, wie beispielsweise Eisenmaterial, ausgebildet und befindet sich in der Fluid-Ausstoßvorrichtung 200. Entweder die Primärspule 230 oder das Element 204, 214 oder 224 aus magnetischem Material ist mit dem Kolben 210 verbunden. Es sollte bemerkt werden, dass die Primärspule 230 oder das Element 204, 214 oder 224 aus magnetischem Material auf jede beliebige geeignete Weise mit dem Kolben 210 verbunden sein kann, die bewirkt, dass der Kolben 210 einer Kraft ausgesetzt wird, die auf die Primärspule 230 bzw. das Element 204, 214 oder 224 aus magnetischem Material wirkt. So kann die Primärspule 230 beispielsweise an einer Oberfläche des Kolbens 210 angebracht oder ausgebildet sein. Die Primärspule 230 kann ebenfalls in den Kolben 210 eingebettet oder als Teil desselben ausgebildet sein. Als Alternative dazu kann der Kolben 210 aus einem magnetischen Material hergestellt sein oder damit beschichtet sein oder ansonsten mit dem Element 204, 214 oder 224 aus magnetischem Material verbunden sein. Das andere Element, d. h. die Primärspule 230 oder das Element 204, 214 oder 224 aus magnetischem Material, ist mit einem stationären Abschnitt oder einer stationären Struktur der Fluid-Ausstoßvorrichtung 200 verbunden.
In Funktion wird ein Antriebssignal D durch eine Antriebssignal-Quelle an die Primärspule 230 angelegt. Das Antriebssignal D bewirkt, dass ein Strom in der Primärspule 230 fließt. Der Stromfluss in der Primärspule 230 erzeugt ein Magnetfeld. In Funktion kann der Strom in beiden Richtungen in der Primärspule 230 fließen, wobei der Kolben 210, wie oben beschrieben, federnd angebracht ist. Da die Primärspule 230 oder das Element 204, 214 oder 224 aus magnetischem Material mit dem Kolben 210 verbunden ist, während das andere der Elemente, d. h. die Primärspule 230 oder das Element 204, 214 oder 224 aus magnetischem Material, mit einem stationären Abschnitt oder einer statio nären Struktur der Fluid-Ausstoßvorrichtung 200 verbunden ist, wird der Kolben 210 durch die Magnetkraft in Abhängigkeit von den relativen Positionen der Primärspule 230 und des Elementes der Fluid-Ausstoßvorrichtung, das aus dem magnetischen Material besteht, entweder in Richtung der Blende 220, die ebenfalls eine stationäre Struktur in der Fluid-Ausstoßvorrichtung 200 ist, oder von ihr weg bewegt.
Wenn die Magnetkraft den Kolben 210 von der Blende 220 weg bewegt, füllt Fluid aus einem Fluid-Vorratsbehälter (nicht dargestellt) die Fluidkammer 206 zwischen der Blende 220 und dem Kolben 210 oder überfüllt sie. Dann wird, wenn das Antriebssignal D abgeschaltet wird, der in der Primärspule 230 fließende Strom unterbrochen, wodurch das Magnetfeld aufgelöst und die Magnetkraft aufgehoben wird. Der Kolben 210 kehrt dann durch eine Kraft der Federelemente 212 elastisch an seine Ruheposition zurück. Wenn sich der Kolben 210 von der Blende 220 weg bewegt, um die Ausstoßkammer 206 zu überfüllen, bewirkt Aufheben des Antriebssignals D, dass ein Tropfen Fluid über das Düsenloch 222 in der Blende 220 ausgestoßen wird. In diesem Fall wird der Fluidausstoßprozess indirekt bzw. passiv durch das Antriebssignal D gesteuert, da Fluid erst ausgestoßen wird, wenn das Antriebssignal D aufgehoben wird.
Wenn die Magnetkraft den Kolben 210 auf die Blende 220 zu bewegt, wird ein Tropfen Fluid über das Düsenloch 222 in der Blende 220 ausgestoßen. Dann wird, wenn das Antriebssignal D abgeschaltet wird, der in der Primärspule 230 fließende Strom unterbrochen, so dass das Magnetfeld aufgelöst und die Magnetkraft aufgehoben wird. Der Kolben 210 kehrt dann durch die Spannung der Federelemente 212 elastisch in seine Ruheposition zurück und füllt so das ausgestoßene Fluid in der Fluid-Ausstoßvorrichtung 200 nach. In letzterem Fall wird der Fluid-Ausstoßprozess direkt bzw. aktiv durch das Antriebssignal D von der Antriebssignal-Quelle gesteuert.
9 und 10 zeigen eine erste beispielhafte Konfiguration der Fluid-Ausstoßvorrichtung 200, bei der die Primärspule 230 mit dem Kolben 210 verbunden ist. Die Blende 220 ist bei dieser ersten beispielhaften Konfiguration entweder aus einem magnetischen Material hergestellt, mit einem magnetischen Material beschichtet oder ansonsten mit einem Element 224 aus magnetischem Material verbunden.
Die Antriebssignal-Quelle führt der Primärspule 230 das Antriebssignal D zu und bewirkt, dass ein Strom in einer ersten Richtung fließt, wie dies mit den Pfeilen der Stromflussrichtung an der Primärspule 230 dargestellt ist. Dadurch wird ein anziehendes Magnet feld zwischen dem Kolben 210 und der Blende 220 erzeugt. Die elastische Kraft der Federelemente 212 führt den Kolben 210 in seine nichtbetätigte bzw. Ruheposition zurück.
Es sollte bemerkt werden, dass Funktion der ersten beispielhaften Konfiguration, die in 9 und 10 dargestellt ist, nur einen gesteuerten Strom erforderlich macht.
11 und 12 zeigen eine zweite beispielhafte Konfiguration der Fluid-Ausstoßvorrichtung 200, bei der die Primärspule mit der Blende 220 verbunden ist, und der Kolben 210 aus magnetischem Material besteht oder mit magnetischen Material beschichtet ist oder ansonsten mit einem Element 214 aus magnetischen Material verbunden ist. Die Funktion dieser zweiten beispielhaften Konfiguration ist identisch mit der oben für die in 9 und 10 dargestellte erste beispielhafte Konfiguration beschriebenen. Wiederum ist nur ein gesteuerter Strom für die Funktion erforderlich. Die verschiedenen Konfigurationen in 9 und 10 und 10 und 12 ermöglichen jedoch Flexibilität bei dem Einrichten und Anordnen der Antriebssignal-Quelle.
13 und 14 zeigen eine dritte beispielhafte Konfiguration der Fluid-Ausstoßvorrichtung 200, bei der die Primärspule 230 mit dem Kolben 210 verbunden ist und der Träger 202 aus magnetischem Material besteht oder mit magnetischen Material beschichtet oder ansonsten mit einem Element 204 aus magnetischen Material verbunden ist.
Die Antriebssignal-Quelle führt der Primärspule 230 das Antriebssignal D zu und bewirkt, dass ein Strom in einer ersten Richtung fließt, wie dies mit den Pfeilen der Stromflussrichtung an der Primärspule 230 dargestellt ist. Dadurch wird ein anziehendes Feld zwischen dem Kolben 210 und dem Träger 202 erzeugt. Dadurch bewegt sich der Kolben 210 von der Blende 220 weg, und zusätzliches Fluid wird in die Fluidkammer 206 gesaugt. Die elastische Kraft der Federelemente 212 führt den Kolben 210 in seine nichtbetätigte bzw. Ruheposition zurück, so dass ein Tropfen des Fluids über das Düsenloch 222 ausgestoßen wird.
Wiederum erfordert die Funktion der in 13 und 14 gezeigten Konfiguration nur einen gesteuerten Strom.
15 und 16 zeigen eine vierte beispielhafte Konfiguration des ersten Vergleichsbeispiels der Fluid-Ausstoßvorrichtung 200, bei der die Primärspule 230 mit dem Träger 202 verbunden ist und der Kolben 210 aus einem magnetischen Material besteht und mit einem magnetischen Material beschichtet oder ansonsten mit dem Element 214 aus magnetischen Material verbunden ist. Die Funktion dieser vierten beispielhaften Konfiguration ist identisch mit der oben für die 13 und 14 dargestellten beschriebenen. Wiederum ist für die Funktion nur ein gesteuerter Strom erforderlich. Die verschiedenen Konfigurationen in 13 und 14 sowie 15 und 16 ermöglichen jedoch Flexibilität beim Einrichtungen und Anordnen der Antriebssignalquelle sowie Flexibilität bezüglich des magnetischen Materials, das mit dem Kolben 210 verbunden ist.
17–22 stellen verschiedene beispielhafte Konfigurationen eines zweiten Vergleichsbeispiels einer Fluid-Ausstoßvorrichtung 300 dar, die ein magnetisches Antriebssystem enthält. Es sollte bemerkt werden, dass die in 17–22 gezeigten Konfigurationen lediglich als Beispiele dienen und nicht erschöpfend oder einschränkend sind.
Bei dem in 17–22 gezeigten zweiten Vergleichsbeispiel hat die Fluid-Ausstoßvorrichtung 300 einen beweglichen Kolben 310, der verwendet werden kann, um Fluid über einen Düsenloch 322 auszustoßen. Der Kolben 310 kann federn angebracht sein und ein oder mehrere Federelemente 312 enthalten, das/die mit einem stationären Abschnitt der Fluid-Ausstoßvorrichtung 300, so beispielsweise einem Träger 302, verbunden ist/sind, wie dies in 18 dargestellt ist. Die Federelemente 312 spannen den Kolben 310 an eine Ruheposition. Die Fluid-Ausstoßvorrichtung 300 weist ebenfalls eine Blende 320 auf, die das Düsenloch 322 enthält, über das ein Tropfen Fluid ausgestoßen werden kann.
Eine erste Primärspule 330, an die ein erstes Antriebssignal D₁ anzulegen ist, befindet sich in der Fluid-Ausstoßvorrichtung 300. Des Weiteren befindet sich eine zweite Primärspule 332, an die ein zweites Antriebssignal D₂ anzulegen ist, ebenfalls in der Fluid-Ausstoßvorrichtung 300. Entweder die erste Primärspule 330 oder die zweite Pirmärspule 332 ist mit dem Kolben 310 verbunden. Es sollte bemerkt werden, dass die erste Primärspule 330 oder die zweite Primärspule 332 auf jede beliebige geeignete Weise mit dem Kolben 310 verbunden sein kann, die bewirkt, dass der Kolben 310 einer Kraft ausgesetzt wird, die auf die erste Primärspule 330 bzw. die zweite Primärspule 332 wirkt. So kann beispielsweise die erste Primärspule 330 oder die zweite Primärspule 332 an einer Oberfläche des Kolbens 310 angebracht oder ausgebildet sein. Die erste Primärspule 330 oder die zweite Primärspule 332 kann auch in den Kolben 310 eingebettet oder als Teil desselben ausgebildet sein. Die andere Spule, d. h. die erste Primärspule 330 oder die zweite Primärspule 323, ist mit einem stationären Abschnitt oder einer stationären Struktur der Fluid-Ausstoßvorrichtung 300 verbunden.
In Funktion wird das erste Antriebssignal D₁ durch eine erste Antriebssignal-Quelle an die erste Primärspule 330 angelegt. Gleichzeitig wird das zweite Antriebssignal D₂ durch die erste Antriebssignal-Quelle oder wahlweise durch eine zweite Antriebssignalquelle an die zweite Primärspule 332 angelegt. Die Antriebssignale D₁ und D₂ bewirken, dass ein Strom in der ersten Primärspule 330 bzw. der zweiten Primärspule 323 fließt. Jeder der Stromflüsse in der ersten und der zweiten Primärspule 330 und 332 erzeugt ein separates Magnetfeld. In Abhängigkeit von den Richtungen der Ströme, die in der ersten Primärspule 330 und der zweiten Primärspule 332 fließen, bewirken die erzeugten Magnetfelder entweder eine abstoßende oder eine anziehende Magnetkraft zwischen der ersten Primärspule 330 und der zweiten Primärspule 332. So kann, indem die Richtung des Stroms, der in der ersten oder der zweiten Primärspule 330 und 332 fließt, umgeschaltet wird, die Magnetkraft zwischen anziehend und abstoßend umgeschaltet werden. Als Alternative dazu können die Ströme nur in einer Richtung in der ersten und der zweiten Primärspule 330 und 332 sein, wobei der Kolben 310, wie oben beschrieben, elastisch angebracht ist. Da die erste Primärspule 330 oder die zweite Primärspule 332 mit dem Kolben 310 verbunden ist, und die andere, d. h. die Primärspule 330 oder die zweite Primärspule 332, mit einem stationären Abschnitt oder einer stationären Struktur der Fluid-Ausstoßvorrichtung 300 verbunden ist, wird der Kolben 310 durch die Magnetkraft entweder in Richtung der Blende 320, die ebenfalls eine stationäre Struktur der Fluid-Ausstoßvorrichtung 300 ist, oder von ihr wegbewegt.
Wenn die Magnetkraft den Kolben 310 von der Blende 320 wegbewegt, füllt oder überfüllt Fluid aus einem Fluid-Vorratsbehälter (nicht dargestellt) die Ausstoßkammer 30a zwischen den Blende 320 und dem Kolben 310. Dann werden, wenn eines oder beide der Antriebssignale D₁ und D₂ abgeschaltet wird/werden, einer oder beide der Ströme, die in der ersten und der zweiten Primärspule 330 und 332 fließen, unterbrochen, so dass wenigstens eines der Magnetfelder aufgelöst wird und so die Magnetkraft zwischen der ersten und der zweiten Primärspule 330 und 332 aufgehoben wird. Der Kolben 310 kehrt dann durch eine Kraft der Federelemente 312 elastisch an seine Ruheposition zurück. Wenn der Kolben 310 von der Blende 320 wegbewegt wird und die Ausstoßkammer 304 überfüllt, bewirkt das Aufheben der Magnetkraft zwischen der ersten und der zweiten Primärspule 330 und 332, dass ein Tropfen Fluid über das Düsenloch 322 in der Blende 320 ausgestoßen wird. Auf diese Weise wird der Fluidausstoßprozeß durch eines oder beide der Antriebssignale D₁ indirekt bzw. passiv gesteuert, da Fluid erst aus gestoßen wird, wenn eines oder beide der Antriebssignale D₁ und D₂ aufgehoben wird/werden.
Wenn die Magnetkraft den Kolben 310 auf die Blende 320 zubewegt, wird ein Tropfen Fluid über das Düsenloch 322 in der Blende 320 ausgestoßen. Dann werden, wenn eines oder beide von dem ersten und dem zweiten Antriebssignal D₁ und D₂ abgeschaltet werden, die Ströme, die in einer oder beiden von der ersten und der zweiten Primärspule 330 und 332 fließen, unterbrochen, wodurch wenigstens eines der Magnetfelder aufgelöst wird und die Magnetkraft zwischen der ersten und der zweiten Primärspule 330 und 320 aufgehoben wird. Der Kolben 310 kehrt dann durch die Spannung der Federelemente 312 elastisch an seine Ruheposition zurück und füllt so das ausgestoßene Fluid in der Fluid-Ausstoßvorrichtung 300 nach. In letzterem Fall wird das Fluidausstoßen direkt bzw. aktiv durch die Antriebssignale D₁ und D₂ gesteuert.
Umschalten der Richtung eines der Ströme, die in der ersten und der zweiten Primärspule 330 und 332 fließen, schaltet, wie oben erwähnt, die Magnetkraft zwischen der ersten und der zweiten Primärspule 330 und 332 von anziehend auf abstoßend oder umgekehrt um. So können die zwei oben beschriebenen Fälle kombiniert werden, so dass sowohl Austoßen von Fluid als auch ein Nachfüllen von Fluid direkt bzw. aktiv durch die Antriebssignale D₁ und D₂ gesteuert werden.
17, 18 und 19 zeigen eine erste beispielhafte Konfiguration der Fluid-Ausstoßvorrichtung 300, bei der die erste Primärspule 330 mit der Blende 320 verbunden ist, und die zweite Primärspule 332 mit dem Kolben 310 verbunden ist. Ein erster Stromweg wird durch die erste Primärspule 330 definiert und ein zweiter Stromweg wird durch die zweite Primärspule 232 definiert.
In Funktion führt wenigstens eine Antriebssignalquelle der ersten Primärspule 330 das erste Antriebssignal D1 zu, so dass ein erster Strom in der ersten Primärspule 330 in einer ersten Richtung fließt, wie dies durch die Pfeile der Stromflussrichtung an der ersten Primärspule 330 angedeutet ist. Die wenigstens eine Antriebs-Signalquelle führt der zweiten Primärspule 332 eine zweites Antriebssignal D₂ zu, so dass ein zweiter Strom in der zweiten Primärspule 332 in einer zweiten Richtung fließt, wie dies durch die Pfeile der Stromflussrichtung an der zweiten Spule 332 dargestellt ist. So erzeugen der erste und der zweite Strom ein Magnetfeld zwischen dem Kolben 310 und der Blende 320.
Die Richtung der entstehenden Magnetkraft, d. h. abstoßend oder anziehend, hängt von den Richtungen des ersten und des zweiten Stroms ab, die in der ersten bzw. der zweiten Primärspule 330 bzw. 332 fließen. Wenn der erste und der zweite Strom in der ersten und der zweiten Primärspule 330 und 332, wie in 18 gezeigt, in der gleichen Richtung fließen, wird eine anziehende Magnetkraft erzeugt, die den Kolben 310 auf die Blende 320 zuzieht, so dass ein Tropfen Fluid durch den Kolben 310 über das Düsenloch 322 ausgestoßen wird. Wenn der erste und der zweite Strom in der ersten und der zweiten Primärspule 330 und 332, wie in 19 gezeigt, in entgegengesetzten Richtungen fließen, wird eine abstoßende Magnetkraft erzeugt, die den Kolben 310 von der Blende 320 wegdrückt, so dass Fluid die Austoßkammer 304 zwischen dem Kolben 310 und der Blende 320 überfüllt.
Wenn keine Stromumschaltung eingesetzt wird, kann eine einzelne Stromflußrichtung sowohl für den ersten als auch für den zweiten Strom in der ersten und der zweiten Primärspule 330 und 332 verwendet werden, um eine unidirektionale Kraft zu erzeugen und entweder den Kolben 310 und die Blende 320 einander zuziehen oder sie auseinander zu drücken, wobei dies davon abhängt, wo sich die Spulen befinden. Die Bewegung des Kolbens 310 in der entgegengesetzten Richtung kann dann erreicht werden, indem die elastischen Kräfte der Federelemente 212 genutzt werden, um den Kolben 310 in seine nichtbetätigte bzw. Ruheposition zurückzuführen.
20, 21 und 22 zeigen eine zweite beispielhafte Konfiguration der Fluid-Ausstoßvorrichtung 300, bei der die erste Primärspule 330 mit dem Kolben 310 verbunden ist und die zweite Primärspule 332 mit dem Träger 302 verbunden ist, der sich an der der Blende 320 gegenüberliegenden Seite des Kolbens 310 befindet.
In Funktion führt wenigstens eine Antriebssignalquelle der ersten Primärspule 330 das erste Antriebssignal D1 zu, so dass ein erster Strom in der ersten Primärspule 330 in einer ersten Richtung fließt, wie dies durch die Pfeile der Stromflußrichtung an der ersten Primärspule 330 angedeutet ist. Die wenigstens eine Antriebssignalquelle führt der zweiten Primärspule 332 ein zweites Antriebssignal D2 zu, so dass ein zweiter Strom in der zweiten Primärspule 332 in einer zweiten Richtung fließt, wie dies mit den Pfeilen der Stromflußrichtung an der zweiten Primärspule 332 angedeutet ist. So erzeugen der erste und der zweite Strom ein Magnetfeld zwischen dem Kolben 310 und dem Träger 302.
Die Richtung der entstehenden Magnetkraft, d. h. abstoßend oder anziehend, hängt von den Richtungen des ersten und des zweiten Stroms ab, die in der ersten bzw. der zweiten Primärspule 330 und 332 fließen. Wenn der erste und der zweite Strom in der ersten und der zweiten Primärspule 330 und 332 in der gleichen Richtung fließen, wie dies in 21 gezeigt ist, wird eine anziehende Magnetkraft erzeugt, die den Kolben 310 von der Blende 320 wegzieht, so dass Fluid die Ausstoßkammer 304 zwischen dem Kolben 310 und der Blende 320 überfüllt. Wenn der erste und der zweite Strom in der ersten und der zweiten Primärspule 330 und 332 in entgegengesetzten Richtungen fließen, wie dies in 22 dargestellt ist, wird eine abstoßende Magnetkraft erzeugt, die den Kolben 310 auf die Blende 320 zudrückt, wodurch ein Tropfen Fluid durch den Kolben 310 über das Düsenloch 322 ausgestoßen wird.
Wiederum kann, wenn keine Stromumschaltung eingesetzt wird, eine Stromflußrichtung sowohl für den ersten als auch den zweiten Strom in der ersten und der zweiten Primärspule 330 und 332 verwendet werden, um eine unidirektionale Kraft zu erzeugen, und den Kolben 310 entweder von der Blende 320 wegzuziehen, oder den Kolben 310 auf die Blende 320 zuzuschieben. Die Bewegung des Kolbens 310 in der entegegengesetzten Richtung kann dann ausgeführt werden, indem die elastischen Kräfte der Federelemente 312 genutzt werden, um den Kolben 310 an eine nichtbetätigte bzw. Ruheposition zurückzuführen.
23–25 stellen verschiedene beispielhafte Konfigurationen eines dritten Vergleichsbeispiels einer Fluid-Ausstoßvorrichtung 400 dar, die ein magnetisches Antriebssystem enthält. Es sollte bemerkt werden, dass die in 23–25 gezeigten Konfigurationen lediglich als Beispiel dienen und nicht erschöpfend oder beschränkend sind.
Bei dem dritten Vergleichsbeispiel hat die Fluid-Ausstoßvorrichtung 400 einen beweglichen Kolben 410, der verwendet werden kann, um Fluid über ein Düsenloch 422 auszustoßen, wie dies in 23 dargestellt ist. Der Kolben 410 kann federn angebracht sein und kann ein oder mehrere Federelemente 412 enthalten, die mit einem stationären Abschnitt der Fluid-Ausstoßvorrichtung 400 verbunden sind, wie beispielsweise einem Träger 402, wie dies in 24 dargestellt ist. Die Federelemente 412 spannen den Kolben 410 an eine Ruheposition. Die Fluid-Ausstoßvorrichtung hat des Weiteren eine Blende 420, die das Düsenloch 422 enthält, über das ein Tropfen-Fluid ausgestoßen werden kann.
Eine erste Primärspule 430, an die ein Antriebssignal anzulegen ist, befindet sich in der Fluid-Ausstoßvorrichtung 400. Ein Permanentmagnet 404, 424, oder 452 befindet sich ebenfalls in der Fluid-Ausstoßvorrichtung 400. Entweder die Primärspule 430 oder Permanentmagnet ist mit dem Kolben 410 verbunden. Es sollte bemerkt werden, dass die Primärspule 430 oder der Permanentmagnet mit dem Kolben 410 auf jede beliebige geeignete Weise verbunden sein kann, die bewirkt, dass der Kolben 410 einer Kraft ausgesetzt ist, die auf die Primärspule 430 bzw. den Permanentmagneten wirkt. Die Primärspule 430 kann beispielsweise an einer Oberfläche des Kolbens 410 angebracht oder ausgebildet sein. Die Primärspule 430 kann auch in den Kolben 410 eingebettet oder als Teil desselben ausgebildet sein. Der Kolben 410 kann teilweise oder vollständig aus einem Permanentmagneten hergestellt oder ansonsten mit dem Permanentmagneten verbunden sein. Das andere Element, d. h. die Primärspule 430 oder Permanentmagnet 404, 424 oder 452, ist mit einem stationärem Abschnitt oder einer stationären Struktur der Fluid-Ausstoßvorrichtung 400 verbunden.
In Funktion wird ein Antriebssignal durch eine Antriebssignalquelle (nicht dargestellt) an die Primärspule 430 angelegt. Das Antriebssignal bewirkt, dass ein Strom in der Primärspule 430 fließt. Der Stromfluß in der Primärspule 430 erzeugt ein erstes Magnetfeld, das mit einem zweiten Magnetfeld zusammenwirkt, das von dem Permanentmagneten 404, 424, oder 452 erzeugt wird. In Abhängigkeit von der Richtung des Stroms, der in der Primärspule 430 fließt, erzeugt die Wechselwirkung des ersten und des zweiten Magnetfeldes entweder eine abstoßende oder eine anziehende Magnetkraft zwischen der Primärspule und dem Permanentmagneten 404, 424, 452. So kann, indem die Richtung des Stroms, der in der Fingerspule 430 fließt, umgeschaltet wird, die Magnetkraft zwischen anziehend und abstoßend umgeschaltet werden. Als Alternative dazu kann der Strom nur in einer Richtung in der Primärspule 430 fließen, wobei der Kolben 410, wie oben beschrieben, elastisch angebracht ist. Da die Primärspule 430 oder der Permanentmagnet 404, 424, 452 mit dem Kolben 410 verbunden ist und das andere Element, d. h. die Primärspule 430 oder der Permanentmagnet 404, 424 oder 452, mit einem stationären Abschnitt oder einer stationären Struktur der Fluid-Ausstoßvorrichtung 400 verbunden ist, wird der Kolben 410 durch die Magnetkraft entweder in Richtung der Blende 420, die ebenfalls eine stationäre Struktur der Fluid-Ausstoßvorrichtung 400 ist, oder von ihr wegbewegt.
Wenn die Magnetkraft den Kolben 410 von der Blende 420 wegbewegt, füllt oder überfüllt Fluid aus einem Fluid-Vorratsbehälter (nicht dargestellt) die Ausstoßkammer 406 zwischen der Blende 420 und dem Kolben 410. Dann wird, wenn das Antriebssignal abgeschaltet wird, der in der Primärspule 430 fließende Strom unterbrochen, wodurch die Magnetkraft aufgehoben wird. Der Kolben 410 kehrt dann durch eine Kraft der Federelemente elastisch an seine Ruheposition zurück. Wenn der Kolben 410 von der Blende wegbewegt wird, und die Austoßkammer 406 überfüllt, bewirkt Aufheben der Magnetkraft, dass ein Tropfen Fluid über das Düsenloch 422 in der Blende 420 ausgestoßen wird.
Auf diese Weise wird der Fluidausstoßprozess indirekt bzw. passiv durch das Antriebssignal gesteuert, da Fluid erst ausgestoßen wird, wenn das Antriebssignal aufgehoben ist.
Wenn die Magnetkraft den Kolben 410 auf die Blende 420 zu bewegt, wird ein Tropfen Fluid 422 über das Düsenloch 422 in der Blende 420 ausgestoßen. Dann wird, wenn das Antriebssignal abgeschaltet wird, der in der Primärspule 430 fließende Strom unterbrochen, wodurch das erste Magnetfeld und damit die Kraft zwischen dem Kolben 410 und dem Permanentmagneten 404, 424, 452 aufgehoben werden. Der Kolben tritt dann durch die Spannung der Federung 412 elastisch an seine Ruheposition zurück und füllt so das ausgestoßene Fluid in der Fluid-Ausstoßvorrichtung 400 nach. In letzterem Fall wird das Ausstoßen des Fluids direkt bzw. aktiv durch das Antriebssignal der Antriebssignalquelle gesteuert.
Umschalten der Richtung des Stroms, der in der Primärspule 430 fließt, schaltet, wie oben erwähnt, die Magnetkraft zwischen anziehend und abstoßend um. So können die zwei oben beschriebenen Fälle so kombiniert werden, dass sowohl das Ausstoßen des Fluids als auch das Nachfüllen des Fluids direkt bzw. aktiv durch das Antriebssignal der Antriebssignal-Quelle gesteuert werden.
23 zeigt eine Konfiguration der Fluid-Ausstoßvorrichtung 400, bei der der Kolben 410 die Primärspule 430 enthält, an die das Antriebssignal anzulegen ist. Permanentmagneten 452 befinden sich an den Seitenwänden 450 an den Kolben 410 und die Blende 420 angrenzend. Die Permanentmagneten 452 erzeugen das zweite Magnetfeld, das Ausstoßkammer 406 oder das Fluid über die Ausstoßvorrichtung 400 ausdehnt.
Wenn das Antriebssignal D angelegt wird und bewirkt, dass Strom in der Primärspule 430 fließt, wird eine vertikale Magnetkraft erzeugt (F = v×B), die in Abhängigkeit von der Richtung des Stroms, der in der Primärspule 430 fließt, und der Richtung des zweiten Magnetfeldes, das durch die Permanentmagneten 452 erzeugt wird, entweder den Kolben 410 von der Blende 420 wegschiebt oder den Kolben 410 auf die Blende 420 zuzieht. So kann durch Umkehren der Richtung des Stromflusses die Magnetkraft zwischen anziehend und abstoßend umgeschaltet werden, um die Richtung der Bewegung des Kolbens 410 umzukehren.
Wiederum ist nur ein gesteuerter Strom für die Funktion erforderlich. Wenn keine Stromumschaltung eingesetzt wird, kann eine einzelne Stromflußrichtung verwendet werden, um eine unidirektionale Kraft zu erzeugen und den Kolben 410 entweder auf die Blende 420 zuzuziehen oder den Kolben 410 von der Blende 420 wegzurücken. Der Bewegung des Kolbens 410 in der entgegengesetzten Richtung kann dann unter Nutzung elastischer Kräfte der Federelemente 412 ausgeführt werden, um Kolben 410 an seine nichtbetätigte bzw. Ruheposition zurückzuführen.
24 zeigt eine zweite beispielhafte Konfiguration der Fluid-Ausstoßvorrichtung 400, bei der der Träger 402 aus einem oder mehreren Permanentmagneten 404 besteht oder diese/n enthält.
Wenn das Antriebssignal angelegt wird, um Stromfluss in der Primärspule 430 zu bewirken, wird der Kolben 410 effektiv zu einem Elektromagneten, wobei in Abhängigkeit von der Richtung des Stroms, der in der Primärspule 430 fließt, entweder ein Nordpol oder ein Südpol dem einen oder den mehrere Permanentmagneten 404 zugewandt ist. So wird der Kolben 410 in Abhängigkeit von der Richtung des zweiten Magnetfeldes, das durch den einen oder die mehreren Permanentmagneten 404 erzeugt wird, durch den einen oder die mehreren Permanentmagneten 404 entweder angezogen oder abgestoßen, so dass der Kolben 410 von der Blende 420 weggezogen wird oder Kolben 410 auf die Blende 420 zugeschoben wird. Indem die Richtung des Stromflusses umgekehrt wird, kann die Magnetkraft, die durch die Wechselwirkung des ersten und des zweiten Magnetfeldes erzeugt wird, zwischen anziehend und abstoßend umgeschaltet werden, um die Richtung der Bewegung des Kolbens 410 umzukehren.
Wiederum ist nur ein gesteuerter Strom für die Funktion erforderlich. Wenn keine Stromumschaltung genutzt wird, kann eine einzelne Stromflußrichtung verwendet werden, um eine unidirektionale Kraft zu erzeugen und den Kolben 410 entweder auf die Blende 420 zuzuziehen oder den Kolben 420 von der Blende 420 wegzudrücken. Die Bewegung des Kolbens 410 in der entgegengesetzte Richtung kann dann unter Nutzung von elasti schen Kräften der Federelemente 412 ausgeführt werden, um den Kolben 410 an seine nichtbetätigte oder Ruheposition zurückzuführen.
25 zeigt eine dritte beispielhafte Konfiguration der Fluid-Ausstoßvorrichtung 400, bei der die Blende 420 aus einem oder mehreren Permanentmagneten 424 besteht oder diese/n enthält.
Wenn das Antriebssignal angelegt wird, um Stromfluß in der Primärspule 430 zu bewirken, wird der Kolben 410 effektiv ein Elektromagnet, wobei in Abhängigkeit von der Richtung des in der Primärspule 430 fließenden Stroms entweder ein Nordpol oder ein Südpol dem einen oder den mehreren Permanentmagneten 424 zugewandt ist. So wird der Kolben 410 in Abhängigkeit von der Richtung des zweiten Magnetfeldes, das durch den einen oder den mehreren Permanentmagneten 424 erzeugt wird, durch den einen oder den mehreren Permanentmagneten 424 entweder angezogen oder abgestoßen, so dass der Kolben 410 auf die Blende 420 zugezogen wird, oder der Kolben 410 von der Blende 420 weggeschoben wird. Indem die Richtung des Stromflusses umgekehrt wird, kann die durch die Wechselwirkung des ersten und des zweiten Magnetfeldes erzeugte Magnetkraft zwischen Anziehung und Abstoßung umgeschaltet werden, um die Bewegungsrichtung des Kolbens 410 umzukehren.
Wiederum ist nur ein gesteuerter Strom für die Funktion erforderlich. Wenn keine Stromumschaltung eingesetzt wird, kann eine einzelne Stromflußrichtung verwendet werden, um eine unidirektionale Kraft zu erzeugen und entweder den Kolben 410 auf die Blende 420 zuzuziehen oder den Kolben 410 von der Blende 420 wegzudrücken. Die Bewegung des Kolbens 410 in der entgegengesetzten Richtung kann dann unter Nutzung elastischer Kräfte der Federelemente ausgeführt werden, um den Kolben 410 an seine nichtbetätigte bzw. Ruheposition zurückzuführen.
Die Systeme der vorliegenden Erfindung stellen die Fluid-Ausstoßvorrichtungen in der beispielhaften Ausführung unter Verwendung von Oberflächen-Mikrobearbeitung einer Polysiliziumstruktur mit Metallabschneidung auf dem Polysilizum her, um Stromwege zu erzeugen, die den hohen Stromdichten widerstehen können, die erforderlich sind, um ausreichend starke Magnetfelder zu erzeugen. Das Metall kann unter Verwendung von Elektroplattieren oder Sputtern oder Aufdampfen und Struktur-Foto-Lithografie abgeschieden werden. Das überschüssige Metall kann dann unter Verwendung verschiedener Ätzverfahren weggeätzt und entfernt werden. Alternative MEMS-Herstellungsverfahren, wie beispielsweise LIGA, können ebenfalls eingesetzt werden. Der eine oder die mehreren Permanentmagneten des dritten Vergleichsbeispiels wird/werden beispielsweise durch chemisches oder pyhsikalisches Aufdampfen einschließlich Plasma-Verfahren, Elektroabscheidung oder Anbringung mit Klebstoff zu der mikrogefertigten Ausstoßvorrichtungstruktur zusammengesetzt.

Claims

Verfahren zum Ausstoßen eines Fluids aus einer Fluid-Ausstoßvorrichtung (100), wobei es umfasst: Anlegen eines ersten Stroms an eine Primärspule (130); dadurch gekennzeichnet, dass durch den ersten Strom in einer Sekundärspule (104) ein zweiter Strom induziert wird; wobei der zweite Strom eine Magnetkraft erzeugt, die ein bewegliches Element (110) einer Fluid-Ausstoßvorrichtung bewegt; und als ein Ergebnis von Bewegung des beweglichen Elementes Fluid aus der Ausstoßvorrichtung ausgestoßen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erzeugte Magnetkraft das bewegliche Element selektiv sowohl in einer ersten Richtung als auch in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zu der ersten Richtung bewegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei Ausstoßen von Fluid aus der Ausstoßvorrichtung (100) direkt durch Bewegung des beweglichen Elementes (110) durch die erzeugte Magnetkraft gesteuert wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, wobei Erzeugen der Magnetkraft Erzeugen eines Magnetfeldes zwischen dem beweglichen Element (110) und einem stationären Abschnitt (120) der Fluid-Ausstoßvorrichtung (100) umfasst.
Magnetantriebssystem für eine Fluid-Ausstoßvorrichtung (100) mit einer Ausstoßkammer, das umfasst: ein bewegliches Element (110), das sich in der Ausstoßkammer befindet; wenigstens eine Primärspule (130); wenigstens eine Sekundärspule (140); und wenigstens eine Antriebssignalquelle, die ein Antriebssignal anlegt, um zu bewirken, dass ein Strom in der Primärspule fließt; wobei der Stromfluss in der Primärspule ein Magnetfeld erzeugt; dadurch gekennzeichnet, dass: die Sekundärspule so angeordnet ist, dass sie sich in dem erzeugten Magnetfeld befindet, wobei das erzeugte Magnetfeld einen Strom in der Sekundärspule induziert, der induzierte Strom ein zweites Magnetfeld erzeugt, so dass eine Magnetkraft zwischen der Primär- und der Sekundärspule erzeugt wird, um das bewegliche Element in der Ausstoßkammer zu bewegen.
Magnetantriebssystem nach Anspruch 5, das des Weiteren wenigstens ein elastisches Trageelement umfasst, das mit dem beweglichen Element so verbunden ist, dass das bewegliche Element an eine Ruheposition gespannt wird, wenn das Antriebssignal nicht angelegt wird.
Magnetantriebssystem nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Sekundärspule (140) mit dem beweglichen Element (110) verbunden ist.
Magnetantriebssystem nach den Ansprüchen 5 bis 7, wobei die Primärspule (130) mit einem stationären Element (120) der Fluid-Ausstoßvorrichtung (100) verbunden ist.
Magnetantriebssystem nach den Ansprüchen 5 oder 6, wobei die Primärspule (130) mit den beweglichen Elementen (110) verbunden ist.
Magnetantriebssystem nach den Ansprüchen 5, 6 oder 9, wobei die Sekundärspule (140) mit einem stationären Element (120) der Fluid-Ausstoßvorrichtung (100) verbunden ist.