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Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft einen Tintenstrahldruckkopf. Die Erfindung betrifft
insbesondere einen Tintenstrahler mit sich bewegender Düse und Einlassbeschränkung.
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Hintergrund der Erfindung
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Die
meisten Tintenstrahldruckköpfe
der unter Verwendung einer Mikroelektro-Mechanik-System (MEMS)-Technologie
hergestellten Art wurden in einer Konstruktion vorgeschlagen, bei
der in MEMS-Schichten auf der Oberseite eines Substrates geformte
Düsenkammern
vorgesehen sind, wobei die Düsenkammern
in den Schichten ausgebildet sind. Jede Kammer ist mit einem bewegbaren
Paddel versehen, das durch irgendeine Form von Betätigungselement
betätigt
wird, so dass Tinte in einem Tropfen durch die zu der Kammer gehörende Düse gedrückt wird
bei Empfang eines elektrischen Signals an dem Betätigungselement.
Solch eine Konstruktion wird durch die Offenbarung in der internationalen
Patentanmeldung
WO-A-0023279 repräsentiert.
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Ferner
beschreibt gemäß einem
anderen Beispiel
US 5,828,394 eine
Fluidtropfen-Ausstoßeinrichtung,
welche eine Wand mit einer dünnen
elastischen Membran, die eine eine Düse definierende Öffnung hat,
und auf elektrische Signale ansprechende Elemente aufweist zum Verlagern
der Membran, so dass aus der Düse
Fluidtropfen ausgestoßen
werden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß der Erfindung
ist ein Tintenstrahldruckkopf bereitgestellt, aufweisend:
eine
Mehrzahl von Düsen,
die jeweils eingerichtet sind zum Ausstoßen von Tintentropfen in Richtung
zu einer zu bedruckenden Fläche
hin, wobei jede der Düsen
ein externes Thermobiegebetätigungselement,
einen mit Öffnungen
versehenen Dachteil und eine Tintenprallflächenformation aufweist, wobei
der Dachteil eine Innenfläche
zum Inkontaktkommen mit der Tinte und eine entgegengesetzt der Innenfläche gerichtete
Außenfläche definiert,
wobei die Außenfläche mit
dem externen Thermobiegebetätigungselement
wirkverbunden ist, so dass das Betätigungselement den Dachteil
von der zu bedruckenden Oberfläche
wegbewegt zum Aufstoßen
der Tinte unter Nutzung von Gegendruck, der zumindest teilweise
von der Prahlflächenformation
bereitgestellt wird.
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Bevorzugt
weisen die Düsen
jeweils eine zugehörige
Düsenkammer
auf, die eingerichtet ist, so dass sie mittels mindestens einer
Leitung in einem darunter liegenden Substrat mit Tinte versorgt
wird, wobei die Düsenkammer
durch einen Bodenteil mit einer peripheren Seitenwand definiert
ist und der Dachteil eine sich nach unten erstreckende, periphere
Seitenwand aufweist, wobei die Seitenwände des Bodenteils und des
Dachteils eingerichtet sind, so dass sie sich teleskopartig überlappen,
wobei die Prallflächenformation
eine Öffnung
in dem Bodenteil ist, durch die hindurch die Leitung in dem darunter
liegenden Substrat mit der Düsenkammer
in Verbindung steht, wobei die Öffnung
von ausreichend kleinem Flächeninhalt
ist, so dass im Betrieb Gegendruck auf die Tinte in der Kammer bereitgestellt
wird, wenn der Dachteil abwärts
in Richtung auf den Bodenteil zubewegt wird.
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Bevorzugt
ist das Substrat benachbart der Öffnung
dazu verwendet, zusätzliche
Komponenten aufzunehmen.
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Bevorzugt
weisen die zusätzlichen
Komponenten Strombahnen auf.
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Bevorzugt
weisen die zusätzlichen
Komponenten Signalbahnen auf.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Trotz
einiger anderer Ausgestaltungen, die in deren Umfang fallen können, wird
nun eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung lediglich beispielhaft
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Figuren beschrieben, von denen:
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1 eine
teilweise weggeschnittene, perspektivische Ansicht einer Tintenstrahleranordnung mit
sich bewegender Düse
ist,
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2 eine
der 1 ähnliche
Ansicht ist und das Biegebetätigungselement
zeigt für
die Biegung der sich bewegenden Düse, die bewirkt, dass ein Tintentropfen
aus der Düse
vorsteht,
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3 eine
der 1 ähnliche
Ansicht ist und die Düse
auf ihre Ursprungsposition zurückgekehrt
und einen Tintentropfen aus der Düse ausgestoßen zeigt,
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4 eine
Querschnittsansicht durch die Mittellinie der wie in 2 gezeigten
Vorrichtung ist,
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5 eine
der 1 ähnliche
Ansicht ist und die Verwendung eines optionalen Düsenstochers
zeigt,
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6 eine
der 5 ähnliche
Ansicht ist und das Biegebetätigungselement
gebogen und einen Tintentropfen aus der Düse vorstehend zeigt,
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7 eine
der 5 ähnliche
Ansicht ist und das Biegebetätigungselement
begradigt und den Tintentropfen aus der Düse ausgestoßen zeigt,
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8 eine
der 1 ähnliche
Ansicht ist, ohne dass die Abschnitte weggeschnitten sind,
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9 eine
der 8 ähnliche
Ansicht ist, wobei die Düse
und das Biegebetätigungselement entfernt
sind und eine optionale Verengung in der Düsenkammer gezeigt ist,
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10 eine
der 9 ähnliche
Ansicht ist, wobei die oberen Schichten entfernt sind, und
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11 eine
der 1 ähnliche
Ansicht ist und das Biegebetätigungselement
weggeschnitten und zur Klarheit die Betätigungselementverankerung demontiert
zeigt.
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Es
ist verständlich,
dass eine große
Anzahl von ähnlichen
Düsen gleichzeitig
unter Verwendung von MEMS- und CMOS-Technologie hergestellt werden.
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Für Klarheitszwecke
wird nun die Konstruktion einer einzelnen Tintenstrahldüse allein
beschrieben.
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Während bei
einer üblichen
Tintenstrahlerkonstruktion Tinte aus einer Düsenkammer durch die Bewegung
eines Paddels in der Kammer ausgestoßen wird, wird erfindungsgemäß auf das
Paddel verzichtet und wird Tinte ausgestoßen durch eine Öffnung (Düse) in der
oberen Fläche
der Kammer, welche durch ein Biegebetätigungselement nach unten bewegt
wird, was das Kammervolumen vermindert und bewirkt, dass Tinte durch
die Düse
hindurch ausgestoßen
wird.
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Überall in
dieser Beschreibung ist der Begriff „Düse" als ein Element zu verstehen, das eine Öffnung definiert,
und nicht als die Öffnung
selbst. Ferner sind die relativen Begriffe „obere" und „untere" und ähnliche Begriffe unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Figuren verwendet und sind so zu verstehen, dass sie in keiner Weise
beschränkend
hinsichtlich der Ausrichtung der Tintenstrahldüse im Betrieb sind.
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Nun
auf die 1 bis 3 der beigefügten Figuren
Bezug nehmend ist die Düse
auf einem Substrat 1 mittels MEMS-Technologie geformt und definiert einen
Tintenzuführdurchlass 2,
der sich durch eine hexagonale Öffnung 3 (welche
jede andere geeignete Konfiguration aufweisen könnte) hindurch in eine Kammer 4 hinein
eröffnet,
die von einem Bodenteil 5, einem Dachteil 6 und
peripheren Seitenwänden 7 und 8,
welche teleskopartig überlappen,
definiert ist. Die Seitenwände 7,
die sich von dem Dachteil 6 nach unten erstrecken, sind
so bemessen, dass sie sich innerhalb der Seitenwände 8, welche sich
von dem Bodenteil 5 nach oben erstrecken, nach oben und
nach unten bewegen können.
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Die
Ausgabedüse
ist von einem Rand 9 geformt, der sich in dem Dachteil 6 befindet,
so dass eine Öffnung
für das
Ausstoßen
von Tinte aus der Düsenkammer
definiert ist, wie es weiter unten beschrieben werden wird.
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Der
Dachteil 6 und die sich nach unten erstreckenden Seitenwände 7 sind
von einem Biegebetätigungselement 10 abgestützt, das
normalerweise von Schichten gebildet ist, die einen strombeheizten, freitragenden
Arm formen, welcher von einem unbeheizten, freitragenden Arm beschränkt wird,
so dass ein Erwärmen
des strombeheizten, freitragenden Armes eine unterschiedliche Ausdehnung
zwischen dem strombeheizten, freitragenden Arm und dem unbeheizten,
freitragenden Arm bewirkt, was bewirkt, dass sich das Biegebetätigungselement 10 biegt.
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Das
proximale Ende 11 des Biegebetätigungselementes ist an dem
Substrat 1 befestigt und wird durch ein Verankerungselement 12,
welches weiter unten beschrieben werden wird, an einem Rückwärtsbewegen
gehindert, und das distale Ende 13 ist an dem Dachteil 6 und
den Seitenwänden 7 der Tintenstrahldüse befestigt
und stützt
diese ab.
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Im
Betrieb wird durch die Passage 2 und die Öffnung 3 hindurch
auf irgendeine geeignete Weise Tinte in die Düsenkammer geliefert, jedoch
normalerweise wie in unseren zuvor referenzierten, gleichzeitig
anhängigen
Patentanmeldungen beschrieben. Wenn es gewünscht ist, einen Tintentropfen
aus der Düsenkammer
auszustoßen,
wird dem Biegebetätigungselement 10 ein
elektrischer Strom zugeführt, was
bewirkt, dass sich das Betätigungselement
auf die in 2 gezeigte Position verbiegt
und den Dachteil 6 nach unten in Richtung zu dem Bodenteil 5 hin
bewegt. Diese Relativbewegung vermindert das Volumen der Düsenkammer,
was bewirkt, dass die Tinte durch den Düsenrand 9 hindurch
nach oben hin anschwillt, wie mit 14 (2)
gezeigt, wo sie durch die Oberflächenspannung
in der Tinte zu einem Tröpfchen
geformt wird.
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Wenn
dem Biegebetätigungselement 10 der elektrische
Strom entzogen wird, kehrt das Betätigungselement zu der wie in 3 gezeigten,
geraden Konfiguration zurück
und bewegt den Dachteil 6 der Düsenkammer aufwärts zu der
Ursprungsposition hin. Der Schwung des teilweise ausgebildeten Tintentröpfchens 14 bewirkt,
dass sich das Tröpfchen weiter
nach oben bewegt und einen wie in 3 gezeigten
Tintentropfen 15 bildet, welcher auf die benachbarte Papierfläche oder
einen anderen zu bedruckenden Gegenstand geschleudert wird.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung ist die Öffnung 3 in dem Bodenteil 5 relativ
groß im Vergleich
zu dem Querschnitt der Düsenkammer, und
der Tintentropfen wird veranlasst, bei einer Abwärtsbewegung des Dachteils 6 durch
den Düsenrand 9 hindurch
ausgestoßen
zu werden durch den Viskositätswiderstand
an den Seitenwänden
des Durchlasses 2 und in den Versorgungsleitungen, die von
dem Tintenreservoir (nicht gezeigt) zu der Öffnung 2 hin führen. Dies
ist eine Unterscheidung zu vielen vorhergehenden Formen von Tintenstrahldüsen, bei
denen der „Gegendruck" in der Düsenkammer,
welcher bewirkt, dass die Tinte bei Betätigung durch den Düsenrand
hindurch ausgestoßen
wird, durch eine oder mehrere Prallflächen in der direkten Position
der Düsenkammer
bewirkt wird. Diese Art von Konstruktion kann mit einem Tintenstrahler
mit sich bewegender Düse
der im Obigen beschriebenen Art verwendet werden und wird nachstehend
unter spezieller Bezugnahme auf die 9 und 10 weiter
beschrieben, wobei jedoch in der Ausgestaltung der Erfindung, die
in den 1 bis 3 gezeigt ist, der Gegendruck
hauptsächlich
durch Viskositätswiderstand
und Tintenträgheit
in der Versorgungsleitung gebildet wird.
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Um
zu verhindern, dass während
einer Betätigung,
das heißt
während
des Biegens des Biegebetätigungselementes 10,
Tinte aus der Düsenkammer austritt,
ist zwischen den Seitenwänden 7 und 8 eine Fluiddichtung
geformt, wie sie nun unter spezieller Bezugnahme auf die 3 und 4 weiter
beschrieben werden wird.
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Die
Tinte wird während
einer Relativbewegung des Dachteils 6 und des Bodenteils 5 in
der Düsenkammer
gehalten durch die geometrischen Merkmale der Seitenwände 7 und 8,
welche gewährleisten,
dass die Tinte durch Oberflächenspannung
in der Düsenkammer
gehalten wird. Zu diesem Zweck ist zwischen der sich nach unten
erstreckenden Seitenwand 7 und der gegenseitig zugewandten
Fläche 16 der
sich aufwärts
erstreckenden Seitenwand 8 ein sehr dünner Spalt vorgesehen. Wie
in 4 deutlich ersichtlich ist, wird die Tinte (als
ein schwarz schattierter Bereich gezeigt) in dem schmalen Durchlass zwischen
der sich nach unten erstreckenden Seitenwand 7 und inneren
Flächen 16 der
sich nach oben erstreckenden Seitenwand gehalten durch die Nähe der beiden
Seitenwände,
was gewährleistet,
dass die Tinte wegen der nächsten
Nähe der
Seitenwände über die
freie Öffnung 17 hinweg
durch Oberflächenspannung „selbstabdichtet".
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Um
eine Vorkehrung für
jegliche Tinte zu treffen, welche infolge von Verunreinigungen oder
anderen Faktoren, welche die Oberflächenspannung unterbrechen können, die
Oberflächenspannungs-Rückhalteeinrichtung
verlassen kann, ist die sich nach oben erstreckende Seitenwand 8 in
Form eines nach oben weisenden Kanals vorgesehen, der nicht nur
die innere Fläche 16,
sondern eine mit Abstand angeordnete, parallele äußere Fläche 18 aufweist, was
einen U-förmigen
Kanal 19 zwischen den beiden Flächen bildet. Jegliche Tintentropfen,
die aus der Oberflächenspannung
zwischen den Flächen 7 und 16 entweichen,
laufen in den U-förmigen
Kanal über,
wo sie zurückgehalten
werden, anstatt per „Dochtwirkung" über die Oberfläche der
Düsenschichten
transportiert zu werden. Auf diese Weise ist eine Doppelwand-Fluiddichtung geformt,
welche effektiv ist beim Halten der Tinte in dem Mechanismus mit
sich bewegender Düse.
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In
einigen Situationen ist es wünschenswert, einen „Düsenstocher" bereitzustellen
zum Räumen jeglicher
Verunreinigungen, welche sich in der Düsenöffnung aufbauen können und
zum Gewährleisten
einer sauberen und deutlichen Ausgabe eines Tröpfchens aus der Düse bei Betätigung.
Eine Konfiguration der Erfindung, die einen Stocher in Kombination
mit einem Tintenstrahler mit sich bewegender Düse verwendet, ist in den beigefügten 5, 6 und 7 gezeigt.
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5 ist ähnlich zu 1,
wobei über
die Öffnung 3 in
dem Boden der Düsenkammer
hinweg ein Steg 20 hinzugefügt ist, auf dem ein sich aufwärts erstreckender
Stocher 21 montiert ist, der so bemessen ist, dass er während einer
Betätigung
in die Ebene der Düse
hinein und/oder durch diese hindurch vorsteht.
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Wie
in 6 ersichtlich, wird, wenn der Dachteil 6 durch
Biegen des Biegebetätigungselementes 10 nach
unten bewegt wird, bewirkt, dass der Stocher 21 nach oben
stößt durch
die Öffnung
des Düsenraums 9 hindurch
und teilweise in den anschwellenden Tintentropfen 14 hinein.
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Wenn
wie in 7 gezeigt der Dachteil 6 bei Begradigung
des Biegebetätigungselementes 10 in seine Ursprungsposition
zurückkehrt,
wird das Tintentröpfchen
wie zuvor beschrieben ausgebildet und ausgestoßen und der Stocher 21 ist
wirksam beim Entfernen oder Lösen
jeglicher getrockneter Tinte, welche sich quer über den Düsenrand ausbilden kann und
welche ansonsten die Düse
blockieren würde.
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Es
ist verständlich,
dass, wenn das Biegebetätigungselement 10 gebogen
wird, was bewirkt, dass der Dachteil nach unten auf die in 2 gezeigte
Position bewegt wird, der Dachteil sich relativ zu dem Bodenteil 5 neigt,
was bewirkt, dass sich die Düse
an dem Punkt der Ausbildung des Tintentröpfchens in eine Ausrichtung
bewegt, welche nicht parallel zu der zu bedruckenden Fläche ist.
Diese Ausrichtung würde,
wenn nicht korrigiert, bewirken, dass das Tintentröpfchen 15 aus
der Düse
in eine Richtung ausgestoßen
werden würde,
welche nicht ganz senkrecht zu der Ebene des Bodenteils 5 und
zu den Düsenschichten
im Allgemeinen ist. Dies würde
in Ungenauigkeiten beim Drucken resultieren, insbesondere wenn einige
Düsen in
eine Richtung und andere Düsen
in eine andere, typischerweise entgegengesetzte Richtung ausgerichtet
sein können.
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Die
Korrektur dieser nicht senkrechten Bewegung kann erzielt werden,
indem der Düsenrand 9 mit
einer asymmetrischen Form versehen wird, wie deutlich in 8 ersichtlich.
Die Düse
ist normalerweise über
das Ende 22, welches näher
an dem Biegebetätigungselement 10 ist,
weiter und flacher und ist an dem Ende 23, welches weiter
weg von dem Biegebetätigungselement
ist, enger und mehr zugespitzt. Dieses Verengen des Düsenrandes
an dem Ende 23 erhöht
die Kraft der Oberflächenspannung an
dem engen Teil der Düse,
was in einer durch einen Pfeil 24A gezeigten Netto-Tropfenvektor-Kraft in Richtung
zu dem Biegebetätigungselement
hin resultiert, wenn der Tropfen aus der Düse ausgestoßen wird.
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Diese
Nettokraft treibt den Tintentropfen in eine Richtung, welche nicht
senkrecht zu dem Dachteil 6 ist, und kann daher angepasst
werden zum Kompensieren der geneigten Ausrichtung des Dachteils
an dem Punkt der Tintentropfenausgabe.
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Durch
sorgfältiges
Anpassen der Form und der Charakteristik des Düsenrandes 9 ist es
möglich, die
Neigung des Dachteils 6 während der Betätigung vollständig zu
kompensieren und den Tintentropfen aus der Düse in eine Richtung zu treiben,
die senkrecht zu dem Bodenteil 5 ist.
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Obwohl
wie oben beschrieben der Gegendruck für die in der Düsenkammer
gehaltene Tinte durch Viskositätswiderstand
in den Versorgungsleitungen bereitgestellt werden kann, ist es auch
möglich
einen Tintenstrahler mit sich bewegender Düse und Gegendruck bereitzustellen
mittels einer signifikanten Verengung in der Nähe der Düse. Diese Verengung ist normalerweise
in den Substratschichten vorgesehen, wie deutlich in den 9 und 10 ersichtlich. 9 zeigt
die Seitenwand 8, von der sich ein oder mehrere Prallflächenelemente 24 einwärts nach
unten erstrecken, was in einer Öffnung 25 mit verengtem
Querschnitt direkt unter der Düsenkammer
resultiert. Die Ausbildung dieser Öffnung ist in 10 ersichtlich,
bei der die oberen Schichten (in 9 gezeigt)
zur Deutlichkeit entfernt sind. Diese Ausgestaltung der Erfindung
kann die benachbarte Anordnung von zusätzlichen Komponenten, wie beispielsweise
Strombahnen und Signalbahnen, ermöglichen, was in einigen Konfigurationen
wünschenswert
ist und eine beabsichtigte Verwendung des Tintenstrahlers mit sich
bewegender Düse
ist. Obwohl die Verwendung einer verengten Prallfläche in dieser Weise
jene Vorteile hat, resultiert sie auch in einer längeren Auffüllzeit für die Düsenkammer,
was bei einigen Verwendungen die Betriebsgeschwindigkeit des Druckers übermäßig beschränken kann.
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Das
Biegebetätigungselement,
welches von einem strombeheizten, freitragenden Arm 28 gebildet ist,
der über
einem an dem distalen Ende 13 verbundenen, unbeheizten,
freitragenden Arm 29 angeordnet ist, muss sicher verankert
sein, so dass eine Relativbewegung zwischen dem strombeheizten,
freitragenden Arm 28 und dem unbeheizten, freitragenden
Arm 29 an dem proximalen Ende 11 verhindert wird,
wobei Vorkehrungen getroffen sind für das Zuführen von elektrischem Strom
in den strombeheizten, freitragenden Arm 28. 11 zeigt
das Verankerungselement 12, welches in einer U-förmigen Konfiguration
bereitgestellt ist, die einen Basisabschnitt 30 und Seitenabschnitte 31 aufweist,
deren untere Enden jeweils in das Substrat 26 eingeformt
oder darin eingebettet sind. Die Ausbildung des Biegebetätigungselementes
in einer U-Form gibt der Endwand 30 große Steifigkeit, was bei einer
Bewegung des Biegebetätigungselementes
jegliches Verbiegen oder Verformen der Endwand 30 relativ
zu dem Substrat 26 verhindert.
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Der
unbeheizte, freitragende Arm 29 ist mit sich nach außen erstreckenden
Zungen 32 versehen, welche in Ausnehmungen 33 in
der Seitenwand 31 angeordnet sind, was weitere Steifigkeit
bereitstellt und eine Relativbewegung zwischen dem unbeheizten,
freitragenden Arm 29 und dem strombeheizten, freitragenden
Arm 28 in der Nähe
des Verankerungselementes 27 verhindert.
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Auf
diese Weise ist das proximale Ende des Biegebetätigungselementes sicher und
fest verankert und wird jede Relativbewegung zwischen dem strombeheizten,
freitragenden Arm und dem unbeheizten, freitragenden Arm in der
Nähe des
Verankerungselementes verhindert. Dies resultiert in einer erhöhten Bewegungseffizienz
des Dachteils 6 des Tintenstrahlers mit sich bewegender
Düse.