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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Flüssigkeits-Ausstoßvorrichtungen
und Verfahren zum Ausstoßen
von Flüssigkeit,
basierend auf einem mikrobearbeiteten oder mikroelektromechanischen System.
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Flüssigkeits-Ausstoßvorrichtungen
wurden zum Aufzeichnen oder Drucken mit Tintenstrahl entwickelt.
Vorrichtungen zum Aufzeichnen mit Tintenstrahl bieten zahlreiche
Vorteile, darunter einen extrem ruhigen Betrieb bei der Aufzeichnung,
Hochgeschwindigkeitsdrucken, einen großes Maß an Freiheit bei der Tintenauswahl,
und die Möglichkeit,
kostengünstiges
Normalpapier zu verwenden. Das sogenannte "Drop-on-Demand"-Ansteuerverfahren, bei dem Tinte nur
bei Bedarf zur Aufzeichnung ausgestoßen wird, ist der inzwischen übliche Ansatz.
Bei dem Drop-on-Demand-Ansteuerverfahren
ist es unnötig, Tinte
wiederaufzufüllen,
die nicht für
die Aufzeichnung benötigt
wird.
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Flüssigkeits-Ausstoßvorrichtungen
zum Tintenstrahldrucken umfassen eine oder mehrere Düsen, welche
die Bildung und Steuerung kleiner Tintentröpfchen zulassen, um eine hohe
Auflösung
zu ermöglichen,
was zu der Fähigkeit
führt,
schärfere Zeichen
mit verbesserter Tonauflösung
zu drucken. Drop-on-Demand-Tintendruckköpfe werden im Allgemeinen speziell
für hochauflösende Drucker
verwendet.
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Bei
der Drop-on-Demand-Technologie wird im Allgemeinen ein gewisser
Typ von Impulsgenerator verwendet, um die Tropfen zu bilden und
auszustoßen.
Bei einem Typ von Druckkopf kann beispielweise eine Kammer, die
eine Tintendüse
aufweist, mit einer piezoelektrischen Wand ausgestattet sein, die
deformiert wird, sobald eine Spannung angelegt wird. Infolge der
Deformation wird die Flüssigkeit
als Tropfen aus der Düsenöffnung gepresst.
Anschließend
prallt der Tropfen direkt auf eine zugehörige Druckoberfläche. Der
Einsatz einer solchen piezoelektrischen Vorrichtung als ein Antrieb
ist in
JP-B-1990-51734 beschrieben.
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Bei
einem anderen Typ von Druckkopf werden mit Hilfe von Heizimpulsen
geformte Blasen eingesetzt, um Flüssigkeit aus der Düse zu pressen.
Die Tropfen werden von dem Tintenvorrat getrennt, wenn die Blasen
zusammenfallen. Die Verwendung von Druck, der durch Erwärmen der
Tinte entsteht, zum Erzeugen von Blasen ist in
JP-B-1986-59911 beschrieben.
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Wiederum
ein weiterer Typ von Drop-on-Demand-Druckkopf enthält einen
elektrostatischen Auslöser.
Bei diesem Typ von Druckkopf wird die Tinte mit Hilfe elektrostatischer
Kraft ausgestoßen.
Beispiele solcher elektrostatischer Druckköpfe sind in
US A-4520375 und
JP A-289351/90 offenbart.
Bei dem in dem '375
Patent offenbarten Tintendruckkopf wird ein elektrostatischer Auslöser verwendet,
umfassend eine Membran, die einen Teil der Tintenausstoßkammer
bildet, und eine Basisplatte, die außerhalb der Tintenausstoßkammer
gegenüber
der Membran angeordnet ist. Der Tintendruckkopf stößt Tintentropfen
durch eine Düse
aus, die mit der Tintenausstoßkammer
in Verbindung steht, indem eine zeitvariante Spannung zwischen der
Membran und der Basisplatte angelegt wird. Die Membran und die Basisplatte
dienen somit als Kondensator, welcher die Membran in eine mechanische
Bewegung versetzt, infolge derer die Flüssigkeit ausgestoßen wird.
Dagegen wird die Membran bei dem in dem japanischen '351 Patent beschriebenen
Tintendruckkopf durch Anwenden einer Spannung auf einen auf der
Membran angebrachten elektrostatischen Auslöser verzerrt. Dies führt zu einem
Ansaugen von Tinte in eine Tintenausstoßkammer. Sobald die Spannung
entfernt wird, kehrt die Membran in ihren nicht-verzerrten Zustand
zurückt
und stößt dabei
Tinte aus der Tintenausstoßkammer
aus.
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Weitere
Beispiele von Tintenausstoßvorrichtungen
sind in
JP 10-193600 und
JP 11-207952 beschrieben. Bei den
beschriebenen Systemen handelt es sich jeweils um Dual-Membran-Systeme.
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Flüssigkeitstropfen-Ausstoßvorrichtungen finden
nicht nur beim Drucken Verwendung, sondern auch beim Aufbringen
von Photolack und anderen Flüssigkeiten
in der Halbleiter- und Flachbildschirmindustrie, beim Ausstoßen von
Arzneimittel- oder biologischen Proben, beim Dosieren vielfältiger Chemikalien
für chemische
Reaktionen, beim Hantieren mit DNA-Sequenzen, beim Zumessen von
Arzneimitteln und biologischen Stoffen für Interaktionsstudien und Analysen,
und beim Aufbringen dünner und
schmaler Schichten von Kunststoffen zur Nutzung als dauerhafte oder
entfernbare Dichtungen in Mikromaschinen.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum
Ausstoßen von
Flüssigkeit
aus einer Flüssigkeits-Ausstoßvorrichtung:
Erzeugen
einer ersten elektrostatischen Kraft, die eine erste Membran einer
Dual-Membran-Anordnung einer
Flüssigkeits-Ausstoßvorrichtung
in einer ersten Richtung bewegt; und
Ausstoßen von Flüssigkeit aus der Flüssigkeits-Ausstoßvorrichtung
durch eine erste Düsenbohrung,
indem eine zweite Membran in einer zweiten Richtung bewegt wird,
entgegengesetzt zu der ersten Richtung in Antwort auf die Bewegung
der ersten Membran in der ersten Richtung, wobei sich die erste
Düsenbohrung über der
zweiten Membran befindet, gekennzeichnet durch Entfernen der ersten
elektrostatischen Kraft mit ausreichender Schnelligkeit, so dass sich
die erste und zweite Membran an einer Ruhestellung vorbeibewegen
und Flüssigkeit
durch eine zweite Düsenbohrung
ausgestoßen
wird, die sich über
der ersten Membran befindet, in dem die erste Membran in der zweiten
Richtung bewegt wird.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein bidirektionales
System zum Ausstoßen
von Flüssigkeit:
eine
abgedichtete Dual-Membran-Anordnung, umfassend:
einen ersten
Membranabschnitt;
einen zweiten Membranabschnitt; eine erste
Düsenbohrung,
die sich über
dem zweiten Membranabschnitt befindet; und
eine Membrankammer,
die zumindest teilweise von dem ersten und zweiten Membranabschnitt
definiert wird; und
eine erste Elektrode gegenüber dem
ersten Membranabschnitt; gekennzeichnet durch eine zweite Düsenbohrung,
die sich über
der ersten Membran befindet.
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Die
Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung bieten ein erhöhtes elektrostatisches
Potential zum Ausstoßen
von Flüssigkeit
in einer elektrostatischen Flüssigkeits-Ausstoßvorrichtung.
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Die
Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung bieten jeweils
eine höhere
Geschwindigkeit bei der Flüssigkeitsausstoßung in
einer elektrostatischen Flüssigkeits-Ausstoßvorrichtung.
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Die
Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung stellen jeweils
einen bidirektionalen Modus zum Ausstoßen von Flüssigkeit bereit.
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Die
Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung sehen jeweils einen
Ausgleich in einer abgedichteten Kammer einer nicht verdichtbaren
Flüssigkeit
vor.
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Die
Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung sehen jeweils einen
aktiv angetriebenen Ausstoß-Zyklus
zum Ausstoßen
von Flüssigkeit
aus einer Flüssigkeits-Ausstoßvorrichtung
vor.
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Die
Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung bieten jeweils
eine verstärkte
Kraft auf eine Flüssigkeit
während
des Zyklus einer Flüssigkeits-Ausstoßvorrichtung.
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Die
Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung bieten jeweils
eine höhere
Frequenzleistung.
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Die
Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung verwenden jeweils
ein Hochleistungs-Dielektrikum.
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Gemäß verschiedener
Ausführungsbeispiele der
Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung wird eine abgedichtete
Dual-Membran verwendet, um eine Flüssigkeit aus einer Flüssigkeits-Ausstoßvorrichtung
auszustoßen.
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Gemäß verschiedener
Ausführungsbeispiele der
Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung wird eine abgedichtete
Dual-Membran-Anordnung verwendet, um eine Flüssigkeits-Ausstoßvorrichtung
in einem bidirektionalen Modus zu betreiben. Gemäß weiterer verschiedener Ausführungsbeispiele
der Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung wird eine Dual-Elektroden-Anordnung
verwendet, um das Ausstoßen
einer Flüssigkeit
aus einer Flüssigkeits-Ausstoßvorrichtung
zu bewirken. Gemäß weiterer
verschiedener Ausführungsbeispiele
der Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung wird eine Dual-Düsen-Anordnung
verwendet, um das Ausstoßen
einer Flüssigkeit
aus einer Flüssigkeits-Ausstoßvorrichtung
zu bewirken.
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Gemäß verschiedener
Ausführungsbeispiele der
Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung umfasst eine Flüssigkeits-Ausstoßvorrichtung eine
Aufnahmestruktur für
eine auszustoßende
Flüssigkeit,
eine abgedichtete Dual-Membran und eine Dual-Elektrode. In verschiedenen
weiteren Ausführungsbeispielen
der Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung ist eine dielektrische
Flüssigkeit hinter
einer zweiteiligen Membran abgedichtet. In verschiedenen weiteren
Ausführungsbeispielen
der Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung kann es sich
bei der dielektrischen Flüssigkeit
um eine hochleistende dielektrische Flüssigkeit handeln.
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In
einigen Fällen
umfasst das Verfahren weiterhin das Wiederauffüllen einer an die zweite Membran
angrenzenden Flüssigkeitsversorgung
durch Entfernen der ersten elektrostatischen Kraft und Erzeugen
einer zweiten elektrostatischen Kraft, welche die zweite Membran
in der ersten Richtung in zumindest eine Ruhestellung bewegt.
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In
weiteren Fällen
umfasst das Verfahren weiterhin das Wiederauffüllen einer an die zweite Membran
angrenzenden Flüssigkeitsversorgung durch
Entfernen der ersten elektrostatischen Kraft, so dass sich die erste
und zweite Membran elastisch in eine Ruhestellung bewegen.
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In
weiteren Beispielen umfasst das Verfahren weiterhin:
Erzeugen
einer zweiten elektrostatischen Kraft, welche die zweite Membran
in der ersten Richtung bewegt; und
Ausstoßen von Flüssigkeit aus der Flüssigkeits-Ausstoßvorrichtung
durch die zweite Düsenbohrung,
indem die erste Membran in der zweiten Richtung bewegt wird, in
Antwort auf die Bewegung der zweiten Membran in der ersten Richtung.
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In
diesem Fall kann das Verfahren zusätzlich weiterhin das Wiederauffüllen einer
an die zweite Membran angrenzenden Flüssigkeitsversorgung durch Bewegen
der ersten Membran in der zweiten Richtung umfassen; und das Wiederauffüllen einer an
die erste Membran angrenzenden Flüssigkeitsversorgung durch Bewegen
der zweiten Membran in der zweiten Richtung.
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Spezielle
Ausführungen
gemäß der vorliegenden
Erfindung werden nun unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen
beschrieben und einem vergleichbaren Beispiel gegenübergestellt,
wobei:
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1 eine
Querschnittsdarstellung eines vergleichbaren Beispiels einer einfachen
Flüssigkeits-Ausstoßvorrichtung
bei der Verwendung einer abgedichteten Membran in einem Zustand
zeigt, in dem die Membran durchgebogen ist;
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2 eine
Querschnittsdarstellung der einfachen Flüssigkeits-Ausstoßvorrichtung
aus 1 in einem Zustand zeigt, in dem die Membran einen Tropfen
der Flüssigkeit
ausstößt;
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3 eine
Querschnittsdarstellung der einfachen Flüssigkeits-Ausstoßvorrichtung
aus 1 in einem Zustand zeigt, in dem sich die Membran
in einem Ruhezustand befindet;
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4 ein
Kraft-Strecke-Diagramm für
die einfache Flüssigkeits-Ausstoßvorrichtung
aus den 1–3 darstellt;
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5–7 Querschnittdarstellung
eines vergleichbaren Beispiels einer bidirektionalen Flüssigkeits-Ausstoßvorrichtung
in verschiedenen Zuständen
darstellen;
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8 ein
Kraft-Strecke-Diagramm für
das in den 5–7 dargestellte
Ausführungsbeispiel der
bidirektionalen Flüssigkeits-Ausstoßvorrichtung zeigt;
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9–11 Querschnittsdarstellungen
eines Ausführungsbeispiels
einer bidirektionalen Flüssigkeits-Ausstoßvorrichtung
gemäß der vorliegenden Erfindung
in verschiedenen Zuständen
eines vorderen Halbzyklus sind; und
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12–14 Querschnittsdarstellungen des
in den 9–11 dargestellten
Ausführungsbeispiels
der bidirektionalen Flüssigkeits-Ausstoßvorrichtung
in verschiedenen Zuständen
eines hinteren Halbzyklus sind.
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Eine
bidirektionale Flüssigkeits-Ausstoßvorrichtung
gemäß den Systemen
und Verfahren der vorliegenden Erfindung arbeitet nach dem Prinzip
der elektrostatischen Anziehungskraft. Die elementaren Merkmale
der Flüssigkeits-Ausstoßvorrichtung
umfassen eine abgedichtete Dual-Membran-Anordnung, eine Elektroden-Anordnung,
die sich parallel zu und gegenüber
von den dualen abgedichteten Membranen befindet, und eine Struktur,
welche die auszustoßende
Flüssigkeit
enthält.
Eine Membrankammer, die eine relativ unverdichtbare Flüssigkeit enthält, befindet
sich hinter den Membranen und wird von diesen abgedichtet. Eine
der Membranen ist gegenüber
einer Düsenbohrung
angeordnet, die in einer Abdeckplatte der Ausstoßvorrichtung ausgebildet ist.
Eine Dual-Elektroden-Anordnung ist vorteilhaft, jedoch optional.
Ein Ansteuersignal wird an zumindest einer Elektrode der Elektroden-Anordnung
angelegt, um ein elektrostatisches Feld zwischen der zumindest einen
Elektrode und einer ersten der Membranen zu erzeugen. Die erste
Membran wird durch eine elektrostatische Kraft des erzeugten elektrostatischen
Feldes in Richtung der zumindest einen Elektrode in eine deformierte
Form gezogen. Auf die Deformierung hin wird Druck auf eine zweite
der abgedichteten Membranen übertragen.
Aufgrund des übertragenen
Druckes und der relativ unverdichtbaren Beschaffenheit der Flüssigkeit,
wie beispielsweise einer hochleistenden dielektrischen Flüssigkeit, welche
in der abgedichteten Membrankammer enthalten ist, wird die zweite
Membran in der entgegengesetzten Richtung durchgebogen, um Flüssigkeit durch
die Düsenbohrung
zu pressen. Nachdem ein Tropfen ausgestoßen wurde, wird die Bewegung
der Membran(en) umgekehrt, entweder durch die normalen elastischen
Rückstellbewegungen
der deformierten Membran(en) oder durch eine angewandte Kraft.
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Die
Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung befassen sich auch
mit einer bidirektionalen Dual-Düsen-Flüssigkeits-Ausstoßvorrichtung. Die
abgedichtete Dual-Membran-Anordnung
wird mit einer Dual-Düsen-Anordnung
und einer Dual-Elektroden-Anordnung
versehen, die sich parallel zu und gegenüber von den abgedichteten Membranen
befindet, sowie einer Struktur, welche die auszustoßende Flüssigkeit
enthält.
In diesen Ausführungsbeispielen wird
zwischen einer ersten Elektrode und einer ersten Membran eine elektrostatische
Kraft erzeugt, aufgrund derer die erste Membran deformiert wird.
Auf die Deformierung hin wird Druck auf eine zweite Membran übertragen.
Aufgrund des übertragenen Druckes
und der relativ unverdichtbaren Beschaffenheit der Flüssigkeit,
wie beispielsweise einer hochleistenden dielektrischen Flüssigkeit,
welche in der abgedichteten Membrankammer enthalten ist, wird die
zweite Membran in der entgegengesetzten Richtung durchgebogen, um
Flüssigkeit
durch eine zweite Düsenbohrung
zu pressen. Nachdem der Tropfen ausgestoßen wurde, wird die Bewegung
der Membran(en) umgekehrt, entweder durch die normalen elastischen
Rückstellbewegungen
der deformierten Membran(en) oder durch eine angewandte Kraft. Wenn
die erste Membran bei langsamer Geschwindigkeit in ihre undeformierte
Stellung zurückkehrt, beispielsweise
durch ein kontrolliertes Abschwächen des
elektrostatischen Feldes, wird keine Flüssigkeit durch die entsprechende
Düsenbohrung
ausgestoßen.
Wenn jedoch die erste Membran bei hoher Geschwindigkeit in ihre
undeformierte Stellung zurückkehrt,
wie beispielsweise durch eine angewandte Kraft, wird Flüssigkeit
durch die entsprechende Düsenbohrung
ausgestoßen.
Somit ist eine höhere
Betriebsfrequenz möglich,
da beide Düsenbohrungen während der
wechselnden Hübe
des Zyklus genutzt werden können,
um Flüssigkeit
auszustoßen.
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Die
bidirektionale Flüssigkeits-Ausstoßvorrichtung
der vorliegenden Erfindung kann problemlos mittels monolithischer
Serienproduktion hergestellt werden, basierend auf der allgemeinen
Fertigungstechnik der Silizium-basierten Oberflächenmikrobearbeitung und hätte das
Potenzial für
sehr geringe Produktionskosten, hohe Verlässlichkeit und "On-Demand"-Modulation der Tropfengröße. Doch
auch wenn sich die folgende Beschreibung der Systeme und Verfahren
der vorliegenden Erfindung auf speziell der Silizium-basierten Oberflächenmikrobearbeitung
eigenen Aspekte bezieht, sind sehr wohl auch andere Materialien
und Fertigungstechniken für
die bidirektionale Flüssigkeits-Ausstoßvorrichtung
der vorliegenden Erfindung möglich.
Auch können
die Systeme und Verfahren der Erfindung in jeder beliebigen mechanischen
Anordnung einer solchen Ausstoßvorrichtung
(z.B. "Roof Shooter" oder "Edge Shooter") eingesetzt werden
und in jeder Größenanordnung
von Ausstoßvorrichtungen.
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In
den 1–3 ist
eine vereinfachte Illustration einer einfachen Ausstoßvorrichtung
in einer "Roof Shooter" Konfiguration zu
sehen. Wie in 1 dargestellt, umfasst die Ausstoßvorrichtung 100 eine
Basisplatte 110, eine Elektrode 120, eine Membran 130 und
eine Abdeckplatte 140 mit einer Düsenbohrung 142. Eine
Membrankammer 132 wird vor der auszustoßenden Flüssigkeit von der Membran 130 abgedichtet.
In diesem Beispiel enthält
die Membrankammer 132 Luft.
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3 zeigt
einen Anfangszustand des Arbeitsvorgangs, bei dem sich die Membran 130 in
einem nicht verformten Zustand befindet. Wie in 1 dargestellt,
wird die Membran 130 in einen durchgebogenen Zustand gebogen,
sobald ein elektrostatisches Feld über dem Luftspalt zwischen
der Elektrode 120 und der Membran 130 erzeugt
wird. Sobald die Membran 130 durchgebogen ist, wird Flüssigkeit in
den von der durchgebogenen Membran 130 erzeugten Spalt
aus einem Reservoir gesogen, das sich an einem beliebigen Teil der
Peripherie der Ausstoßvorrichtung 100 befinden
kann.
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Ausgehend
von einer einheitlichen elektrostatischen Kraft, die über die
Membran 130 angelegt ist, können die Beziehungen wie folgt
approximiert werden: F = (Kε•A)(E2)/2 (1)wobei:
- K
- die relative Permittivität der Flüssigkeit
(= ε/ε•) ist, auch
Dielektrizitätskonstante
genannt;
- ε•
- die Permittivität des leeren
Raums ist (z.B. Vakuum);
- A
- die Querschnittsfläche der
Elektrode ist; und
- E
- die elektrostatische
Feldstärke
ist.
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Dies
kann wie folgt auch als angewandter Druck dargestellt werden: P = (Kε•)(E2)/2. (2)
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Bei
einer runden Membran des Durchmessers "d" (Radius "r") beträgt die maximale, im Zentrum
der Membran auftretende Durchbiegung annähernd: δ =
(Pr4)/(64D); (3)wobei: D = (Et3)/(12(1 – u2));
- E
- der Elastizitätsmodul
ist;
- t
- die Membranstärke ist;
und
- u
- die Poisson'sche Zahl ist.
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In
der Praxis wird bei Durchbiegung der Membran 130 im Zentrum
der Membran 130 ein anderes elektrostatisches Feld und
somit eine andere Kraft als an der Peripherie der Membran 130 auftreten.
Diese Beziehungen dienen jedoch der Illustration des grundsätzlichen
Ansatzes.
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Wenn
die Flüssigkeit
ausgestoßen
werden soll, wird das elektrostatische Feld entfernt, so dass die
Membran 130 aufgrund der elastischen Rückstellkraft der Membran 130 in
ihren nicht verformten Zustand zurückkehrt, dargestellt in 3. 2 zeigt
einen nichtstatischen Zwischenzustand zwischen dem durchgebogenen
und dem nicht verformten Zustand, dargestellt in 1 bzw. 3.
Die elastische Rückstellkraft
wird auf die Flüssigkeit übertragen,
so dass ein Teil der Flüssigkeit
zurück
in das Reservoir gepresst wird und ein Teil der Flüssigkeit
durch die Düsenbohrung 142 ausgestoßen wird, wie
in 3 dargestellt. Dieser Vorgang ist gewissermaßen analog
zu dem einer gespannten Feder. Der prozentuale Anteil der Flüssigkeit,
die als Tröpfchen ausgestoßen wird
relativ zu der Menge an Flüssigkeit,
die von der Membran 130 bewegt wird, kann durch spezielle
Konstruktionsparameter der Ausstoßvorrichtung 100 gesteuert
werden. Zu diesen Parametern zählen
die Größe der Membran 130,
die angewandte Kraft, die Entfernung zwischen der Membran 130 und
der Abdeckplatte 140 und andere eindeutige Merkmale, welche
dabei helfen können,
den Fluss zu regulieren, wie beispielsweise der Einbau von Ventilen
in die Ausstoßvorrichtung 100. 4 zeigt
für eine
gegebene Fläche
und eine gegebene elektrostatische Feldstärke eine annähernde qualitative
Beziehung zwischen der auf die Flüssigkeit angewandten Kraft
und der Durchbiegung der Membran 130.
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Wie
aus den Gleichungen zu ersehen, welche die Auslenkung der Membran 130 bestimmen,
ist ein Schlüsselparameter,
der die während
des Ausstoßens
auf die Flüssigkeit
wirkende verfügbare
Kraft begrenzt, die Dielektrizitätskonstante
der verdichtbaren Flüssigkeit
in der Membrankammer 132. In diesem Fall hat Luft eine
Dielektrizitätskonstante
von ungefähr
1. Zwar kann die Nutzung von Luft als Arbeitsdielektrikum eine vereinfachte
Herstellung bieten, doch schränkt
dies die erreichbare Tröpfchengröße und -geschwindigkeit
ein, was sich im Falle von Tintendruckköpfen auf die Druckqualität und die
Gesamtleistung der Ausstoßvorrichtung 100 auswirkt.
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In
einem vergleichbaren Beispiel der bidirektionalen Flüssigkeits-Ausstoßvorrichtung,
dargestellt in 5–7, verfügt eine
Flüssigkeits-Ausstoßvorrichtung 200 über eine
abgedichtete Dual-Membran-Anordnung umfassend eine erste Membran 210, eine
zweite Membran 212 und eine Membrankammer 214 umfassend
einen ersten und einen zweiten Kammerabschnitt 216 und 218.
Die Membrankammer 214 enthält eine unverdichtbare dielektrische Flüssigkeit 215.
Die Membrankammer 214 kann über einen oder mehrere Stützträger 202 verfügen, die
einen Stützpunkt
für das
Durchbiegen der beiden Membranen 210 und 212 bieten.
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Die
Ausstoßvorrichtung 200 verfügt außerdem über eine
Dual-Elektroden-Anordnung umfassend eine erste Elektrode 220 und
eine zweite Elektrode 222. Jede Elektrode 220, 222 befindet
sich parallel zu und gegenüber
von der jeweils korrespondierenden Membran 210 und 212.
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Die
Ausstoßvorrichtung 200 ist
mit einer auszustoßenden
Flüssigkeit 230 versorgt.
Die Ausstoßvorrichtung 200 umfasst
eine Abdeckplatte 240 mit einer Düsenbohrung 242, durch
welche die Flüssigkeit 230 ausgestoßen wird.
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Die
Ausstoßvorrichtung 200 arbeitet
nach dem Prinzip der elektrostatischen Anziehungskraft in einem
bidirektionalen Modus, wie in 5–7 dargestellt. 5 zeigt
einen Anfangszustand und in 6–7 ist
zu sehen, wie ein Tropfen ausgestoßen wird. Ein Ansteuersignal
wird an der zweiten Elektrode 222 angelegt, um ein elektrostatisches Feld
zwischen der zweiten Elektrode 222 und der zweiten Membran 212 zu
erzeugen. Wie in 6 zu sehen, wird die zweite
Membran 212 aufgrund einer elektrostatischen Anziehungskraft
in Richtung der zweiten Elektrode 222 in einen deformierten
Zustand gebogen. Auf die Deformierung hin wird ein Druck von dem
zweiten Kammerabschnitt 218 der Membrankammer 214 zu
dem ersten Kammerabschnitt 216 der ersten Membran 210 übertragen.
Aufgrund der relativ unverdichtbaren Beschaffenheit der in der Membrankammer 214 enthaltenen
Flüssigkeit 215 verursacht
der übertragene
Druck ein Durchbiegen der ersten Membran 210 in der entgegengesetzten Richtung
und stellt somit eine Kraft bereit, um einen Tropfen Flüssigkeit
durch die Düsenbohrung 242 auszustoßen. Nachdem
der Tropfen ausgestoßen wurde,
wird die Bewegung umgekehrt, entweder durch die elastischen Rückstellbewegungen
der deformierten Membranen 210 und 212 und/oder
durch eine angewandte Kraft.
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Beispielsweise
kann ein Ansteuersignal an die erste Elektrode 220 gesendet
werden, um ein elektrostatisches Feld zwischen der ersten Elektrode 220 und
der ersten Membran 210 zu erzeugen. Somit kann die erste
Membran 210 effektiv bidirektional angesteuert werden.
Das Bereitstellen einer zweiten Elektrode hilft dabei, die Flüssigkeit 230 wieder
aufzufüllen
und erhöht
die maximale Betriebsfrequenz. Nachdem ein Tropfen ausgestoßen wurde,
wird das elektrostatische Feld über
der zweiten Elektrode 222 entfernt und ein elektrostatisches
Feld zwischen der ersten Elektrode 220 und der ersten Membran 210 erzeugt,
um den Nachfüll-Zyklus
aktiv anzutreiben.
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8 zeigt
qualitativ die auf die auszustoßende
Flüssigkeit 230 ausgeübte Kraft,
die durch Integrieren des aktiv angetriebenen Ausstoß-Zyklus entsteht.
Wie beim Vergleich von 8 mit 4 deutlich
wird, wird eine wesentlich höhere
Kraft im Falle einer bidirektionalen Flüssigkeits-Ausstoßvorrichtung
aus 5–7 im
Verhältnis
zu dem Beispiel aus 1–3 erzielt.
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Wie
zuvor oben unter Bezug auf die Ausstoßvorrichtung 100 aus 1–3 beschrieben, kann
der prozentuale Anteil der Flüssigkeit 230,
die als Tröpfchen
ausgestoßen
wird relativ zu der Menge an Flüssigkeit,
die von den Membranen 210 und 212 bewegt wird,
durch spezielle Konstruktionsparameter der Ausstoßvorrichtung 200 gesteuert
werden. Zu diesen Parametern zählen
die Größen der
Membranen 210 und 212, die angewandte(n) Kraft/Kräfte, die Entfernungen
zwischen den Membranen 210 und 212 und der Abdeckplatte 240 und
andere eindeutige Merkmale, welche dabei helfen können, den
Fluss zu regulieren, wie beispielsweise der Einbau von Ventilen
in die Ausstoßvorrichtung 200.
Als weitere Variable, die als Konstruktionsparameter verwendet werden kann,
können
die relativen Größen der
ersten und zweiten Membran 210 und 212 dienen.
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Während in
der zuvor offenbarten und beschriebenen unidirektionalen Vorrichtung
Luft verwendet wird, wird bei verschiedenen Ausführungsbeispielen der bidirektionalen
Flüssigkeits-Ausstoßvorrichtungen
gemäß der vorliegenden
Erfindung eine hochleistende, unverdichtbare dielektrische Flüssigkeit
eingesetzt, mit Hilfe derer bedeutend stärkere Kräfte auf die Flüssigkeit
angewendet werden können.
So hat beispielsweise destilliertes Wasser eine Dielektrizitätskonstante
k von etwa 78. Dies bedeutet, dass eine Membranstruktur konstruiert
werden kann, deren "Federkraft" auf die auszustoßende Flüssigkeit
78mal höher
ist, als die in dem Ansatz, in welchem Luft als Dielektrikum verwendet
wird. Zudem weist destilliertes Wasser eine sehr niedrige Konduktivität auf, etwa
10–6 S/m,
was einen geringen Leistungsverbrauch ermöglicht. Es können auch
andere dielektrische Flüssigkeiten
wie S-Fluide und T-Fluide, organische Lösungen etc. verwendet werden.
S-Fluide und T-Fluide sind Testflüssigkeiten, welche dieselbe
Zusammensetzung wie verschiedene Tinten aufweisen, wie beispielsweise
farbstoffbasierte wässrige
Tinten, Mikroemulsionstinten, Flüssigkristalltinten,
Hotmelt-Tinten,
liposomische Tinten, und pigmentierte Tinten, ohne Pigmente oder
Farbstoffe.
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9–14 zeigen
ein Ausführungsbeispiel
einer bidirektionalen Flüssigkeits-Ausstoßvorrichtung 300 und
illustrieren verschiedene Stadien des Arbeitsablaufes der Flüssigkeits-Ausstoßvorrichtung 300.
Die Ausstoßvorrichtung 300 verfügt über erste
und zweite Düsenbohrungen 342 und 344.
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Die
Flüssigkeits-Ausstoßvorrichtung 300 verfügt über eine
abgedichtete Dual-Membran- Anordnung
umfassend eine erste Membran 310, eine zweite Membran 312 und
eine Membrankammer 314 umfassend einen ersten und einen
zweiten Kammerabschnitt 316 und 318. Die Membrankammer 314 enthält eine
dielektrische Flüssigkeit 315.
Die Membrankammer 314 kann über einen oder mehrere Stützträger 302 verfügen, die
einen Stützpunkt
für das
Durchbiegen der beiden Membranen 310 und 312.
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In
verschiedenen Ausführungsbeispielen verfügt die Ausstoßvorrichtung 300 außerdem über eine
Dual-Elektroden-Anordnung umfassend eine erste Elektrode 320 und
eine zweite Elektrode 222. Jede Elektrode 320, 322 befindet
sich parallel zu und gegenüber
von der jeweils korrespondieren Membran 310 und 312.
Die Ausstoßvorrichtung 300 ist
mit einer auszustoßenden
Flüssigkeit 330 versorgt.
Die Ausstoßvorrichtung 300 umfasst
eine Abdeckplatte 340 mit der ersten und zweiten Düsenbohrung 342 und 344,
durch welche die Flüssigkeit 330 ausgestoßen wird.
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Die
Ausstoßvorrichtung 300 arbeitet
nach dem Prinzip der elektrostatischen Anziehungskraft in einem
bidirektionalen Modus, wie in 9–14 dargestellt. 9 zeigt
einen Anfangszustand und in 10 und 11 ist
zu sehen, wie ein Tropfen ausgestoßen wird. 12–14 zeigen
die Rücklauf-Zustände, wobei
ein Flüssigkeitstropfen
durch die zweite Düsenbohrung 344 ausgestoßen wird.
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Im
Betrieb wird ein Ansteuersignal an der zweiten Elektrode 322 angelegt,
um ein elektrostatisches Feld zwischen der zweiten Elektrode 322 und der
zweiten Membran 312 zu erzeugen. Die zweite Membran 312 wird
aufgrund einer elektrostatischen Anziehungskraft in Richtung der
zweiten Elektrode 322 in einen deformierten Zustand gebogen.
Auf die Deformierung hin wird Druck von dem zweiten Kammerabschnitt 318 der
Membrankammer 314 zu dem ersten Kammerabschnitt 316 der
ersten Membran 310 übertragen.
Aufgrund der relativ unverdichtbaren Beschaffenheit der in der Membrankammer 314 enthaltenen
Flüssigkeit
verursacht der übertragene Druck
ein Durchbiegen der ersten Membran 310 in der entgegengesetzten
Richtung und stellt somit eine Kraft bereit, um Flüssigkeit
durch die erste Düsenbohrung 342 auszustoßen. Nachdem
ein Tropfen durch die erste Düsenbohrung 342 ausgestoßen wurde,
wird die Bewegung der Membranen 310 und 312 umgekehrt,
entweder durch die elastischen Rückstellbewegungen
der deformierten Membranen 310 und 312 und/oder
durch eine angewandte Kraft. Dies führt dazu, dass ein Tropfen
Flüssigkeit
aus der zweiten Düsenbohrung 344 ausgestoßen wird.
Wenn die erste Membran 310 bei langsamer Geschwindigkeit
in ihre undeformierte Stellung zurückkehrt, beispielsweise durch
ein graduelles Nachlassen des angelegten elektrostatischen Feldes,
wird kein Tropfen durch die zweite Düsenbohrung 344 ausgestoßen. Eine
solche Konfiguration bietet eine höhere Frequenzleistung als eine
Konfiguration mit einer einzelnen Düse.
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Bei
Bedarf kann ein moduliertes Ansteuersignal eingesetzt werden, um
den Spielraum des Durchschlags der dielektrischen Flüssigkeit
zu vergrößern. Wesentlich
bei diesem Ansatz ist die Verwendung eines weitgehend konstanten
elektrostatischen Feldes während
der "Spannbewegung" der Membran. Bei
Flüssigkeiten,
deren Durchschlagsfestigkeit sich mit einer Änderung der kritischen Durchschlagsdimension ändert, kann
das Eingangs-Ansteuersignal entsprechend angepasst werden, um im Wesentlichen
die maximal mögliche
Feldstärke
zu erzielen. Genauer gesagt, bedeutet das: um die Möglichkeit
eines elektrischen Durchschlags oder des Auftretens anderer elektrochemischer
Reaktionen in der dielektrischen Flüssigkeit zu minimieren, kann das
Ansteuersignal so ausgerichtet werden, dass es bestimmte spezifizierte
Charakteristika aufweist. So kann das System beispielsweise bei
einer angemessen hohen Frequenz angesteuert werden. Alternativ oder
zusätzlich
kann eine bipolare Impulsfolge auf der erwünschten Frequenz verwendet
werden.