DE60303265T2

DE60303265T2 - Druckkopf mit einem mikro-elektromechanischen Funkfrequenzsystem (RF MEMS) zum Ausstossen von Tintentropfen

Info

Publication number: DE60303265T2
Application number: DE60303265T
Authority: DE
Inventors: In-sang Gwanak-gu Song
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2002-10-17
Filing date: 2003-10-09
Publication date: 2006-08-03
Anticipated expiration: 2023-10-10
Also published as: JP4118781B2; KR100452849B1; KR20040034921A; CN1239324C; DE60303265D1; EP1410911A1; EP1410911B1; DK1410911T3; US20040227787A1; US7083260B2; TWI236975B; ES2254878T3; TW200418647A; JP2004136685A; ATE316005T1; CN1496832A

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Tintenstrahl-Druckkopf. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Druckkopf, der einen Sprühkopf mit Funkfrequenz-mikroelektromechanischem System (RF MEMS) einschließlich eines RF-Hohlraumresonators verwendet.
Im Allgemeinen kann ein Sprühkopf zum Ausstoßen eines Tropfens einer Flüssigkeit in einem Tintenstrahl-Druckkopf, einer MEMS-Kühlvorrichtung oder dergleichen verwendet werden. ein Antriebsverfahren für einen Tintenstrahl-Druckkopf kann in ein mechanisches Antriebsverfahren unter Verwendung eines piezoelektrischen Elements oder in thermische Antriebsverfahren klassifiziert werden.
1 veranschaulicht einen Querschnitt durch einen herkömmlichen Druckkopf mit einem piezoelektrischen Element.
Wie in 1 gezeigt, enthält ein herkömmlicher Druckkopf mit einem piezoelektrischen Element einen scheibenförmigen piezoelektrischen Körper 7, eine unterhalb des piezoelektrischen Körpers 7 angeordnete Vibrationsplatte 6 zum Umwandeln einer in Längsrichtung expandierenden Bewegung des piezoelektrischen Körpers 7 in eine Biegebewegung, eine unterhalb der Vibrationsplatte 6 angeordnete Flüssigkeitskammerschicht 1, welche eine Flüssigkeitskammer 2 zum Lagern von Tinte enthält und eine Düsenplatte 5 mit einer Düse 5a zum Ausstoßen eines Tintentröpfchens und zum Bedecken der Flüssigkeitskammerschicht 1. Die Düsenplatte 5 kann mehrere Düsen 5a aufweisen, die jeweils in einem vorbestimmten Abstand zueinander angeordnet sind.
Die Flüssigkeitskammerschicht 1 ist aus mehreren Metallschichten gebildet, die pressgeschweißt sind. Die Flüssigkeitskammer 2 zum Lagern von Tinte und eine Drossel 3 zum Steuern eines Tintenstroms sind in der Flüssigkeitskammerschicht 1 vorgesehen. Die Düsenplatte 5 mit mehreren Düsen 5a ist unterhalb der Flüssigkeitskammerschicht 1 angeordnet. Die Vibrationsplatte 6 wird dazu bereitgestellt, eine Druckkammer 4 überhalb der Flüssigkeitskammerschicht 1 zu bedecken. Die Drossel 3 dient zu Flusskommunikation zwischen der Flüssigkeitskammer 2 und der Druckkammer 4. Die Düsen 5a sind mit der Druckkammer 4 verbunden. Eine Elektrode (nicht gezeigt) zum Betreiben des piezoelektrischen Körpers 7 ist oberhalb der Vibrationsplatte 6 angeordnet.
Wenn der piezoelektrische Körper 7 aufgerufen wird (das heißt, wenn durch Anlegen eines elektrischen Feldes an den piezoelektrischen Körper in diesem eine Orientierung erzeugt wird) in Längsrichtung zu expandieren, wird die Vibrationsplatte 6 gebogen, und ein Innendruck der Druckkammer 4 erhöht sich, sodass ein Tintentröpfchen nach außen durch die Düsen 5a ausgestoßen wird. Während das Tintentröpfchen ausgestoßen wird, blockiert die Drossel 3 die in der Druckkammer 4 verbleibende Tinte davon, in die Flüssigkeitskammer 2 zurückzufließen. Wenn die Form und Position der Vibrationsplatte 6 wieder herge stellt sind, wird die Druckkammer 4 aus der Flüssigkeitskammer 2 durch die Drossel 3 mit Tinte aufgefüllt.
Um die Vibrationsplatte 6 herzustellen, wird ein grünes Blech aus ZrO₂ hergestellt. Dann werden an vorbestimmten Positionen in das Blech Löcher einer vorbestimmten Größe gebohrt. Daraufhin wird das Blech auf eine hohe Temperatur erhitzt, z. B. wenigstens auf etwa 1.000°Celsius. Außerdem wird auf dem dünnen ZrO₂-Blech eine untere Elektrode einer identischen Größe gebildet.
Um den piezoelektrischen Körper 7 herzustellen, wird das ZrO₂-Blech mit der darauf gebildeten unteren Elektrode mit Siebdruck bedruckt, indem eine piezoelektrische Paste genau in einem Array angeordnet wird. Die piezoelektrische Paste wird, nachdem sie durch Siebdruck auf das ZrO₂-Blech aufgebracht wurde, auf eine hohe Temperatur erhitzt, um auf dem piezoelektrischen Körper 7 eine obere Elektrode zu bilden.
Ein herkömmlicher Tintenstrahl-Druckkopf mit einem oben beschriebenen piezoelektrischen Körper hat den Nachteil einer niedrigen Druckgeschwindigkeit auf Grund einer Begrenzung der Betriebsgeschwindigkeit des piezoelektrischen Körpers. Außerdem hat ein derartiger herkömmlicher Tintenstrahl-Druckkopf Schwierigkeiten, die Menge an ausgestoßener Tinte zu kontrollieren. Ferner ist das Herstellungsverfahren komplex und die Struktur sehr kompliziert, wodurch eine hohe Integration schwierig wird.
Bei alternativen Betriebsverfahren eines Tintenstrahl-Druckkopfes, das heißt, thermischen Betriebsverfahren, wird an ein dünnes Rohr Wärme angelegt, sodass eine Luftblase erzeugt wird, die den Innendruck des Rohrs erhöht. Diese Erhöhung des Innendrucks bewirkt das Ausstoßen einer Flüssigkeit.
Genauer wird im Inneren eines Halbleiters ein Tintenkanal gebildet, und um den Kanal ist ein thermischer Widerstand angeordnet. Dann wird an den Widerstand ein Strom angelegt, damit sich der Widerstand erwärmt und im Kanal eine Luftblase erzeugt. Die erzeugte Luftblase erhöht den Innendruck des Rohrs und stößt dadurch Tinte aus dem Rohr aus.
Die Ausgabequalität einer Ausgabevorrichtung, die einen Tintenstrahl-Druckkopf verwendet, hängt stark von der Tintenqualität und der Menge ausgestoßener Tinte ab. Beim Drucken eines Farbbildes wird, wenn die ausgestoßene Tintenmenge zu groß ist, das gedruckte Bild insgesamt zu dunkel, wodurch sich die Auflösung des gedruckten Bildes verschlechtert.
Wenn die ausgestoßene Tintenmenge dagegen zu klein ist, wird das Ausgabebild unklar oder die Bildqualität verschlechtert sich, da einige der Düsen keine Tinte ausstoßen. Ein thermisch betriebener Tintenstrahl-Druckkopf versucht daher, die Tinte adäquat auszustoßen, indem eine an den thermischen Widerstand angelegte Spannung oder eine Zeit zum Erhitzen geregelt wird.
Der thermisch betriebene Tintenstrahl-Druckkopf wird jedoch stark durch die Umgebungstemperatur und Feuchtigkeitsbedingungen beeinflusst. Bei hohen Temperatur- und Luftfeuchtigkeitsbedingungen hat so ein Druckkopf das Problem, dass das Ausgabebild zu dunkel ist. Unter niedrigen Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen wird keine Tinte ausgestoßen oder das Ausgabebild wird unklar. Ferner weist ein solcher Druckkopf das Problem auf, dass es nicht einfach ist, die ausgestoßene Menge an Tinte genau zu regeln, und eine Tintenausstoß-Reaktionsgeschwindigkeit ist niedrig auf Grund einer begrenzten Betriebs-Reaktionsgeschwindigkeit des thermischen Widerstandes. Ferner weist der Druckkopf zusätzliche Probleme darin auf, dass die Struktur selbst so kompliziert ist, dass es nicht einfach ist, viele Düsen hoch zu integrieren, was somit die Auflösung eines Ausgabebildes weiter limitiert.
In Fukumoto et al. "Printing with Ink Mist Ejected by Ultrasonic Waves", Journal of Imaging Science and Technology, Soc. for Imaging Science and Technology, Springfield, VA, USA, Band 44, Nr. 5, September 2000, Seite 398–405, ist ein Nebelstrahl-Druckkopf mit einer Tintenkammer offenbart, die einen piezoelektrischen Wandler beinhaltet, der an einem Ende angeordnet ist, sowie eine am anderen Ende angeordnete Düse. Der Druckkopf enthält einen Treiber zum Erzeugen der Treibersignale. Die Treibersignale werden an den piezoelektrischen Wandler angelegt, der in Reaktion hierauf Ultraschallenergie erzeugt. Die Ultraschallenergie wird durch parabolische Wände der Tintenkammer auf einen Ort neben der Düse fokussiert. Die fokussierte Ultraschallenergie zerstäubt Tinte, wodurch sie aus der Düse ausgestoßen wird.
US 6,273,551 offenbart einen akustischen Tintenstrahl-Druckkopf, in dem Funkfrequenz(RF-)Signale dazu verwendet werden, einen piezoelektrischen Wandler so zu betreiben, dass er akustische Wellen erzeugt. In diesem Druckkopf werden Fresnel-Linsen dazu verwendet, die akustischen Wellen auf einen Ort neben der Düse zu fokussieren, wodurch Tinte ausgestoßen wird.
Die WO 01/62394 offenbart eine Tröpfchen-Ausstoßvorrichtung, die ein Fluidreservoir umfasst, welches als ein akustischer Hohlraumresonator wirkt, der bei der Resonanzfrequenz eines Volumen-Aktors resoniert. Die Auslassöffnung ist in einer Membran ausgebildet, die bei Resonanz in einer Biegeschwingung vibriert und dadurch Fluidtröpfchen erzeugt.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der Erfindung wird ein Druckkopf mit einem Funkfrequenz MEMS-Sprühkopf bereitgestellt, wobei der Druckkopf umfasst:
Eine innere Druckkammer mit einem Flüssigkeitseinlass und einem Flüssigkeitsauslass; einen Hohlraumresonator, der die innere Druckkammer umgibt, wobei der Hohlraumresonator dazu ausgelegt ist, ein vorbestimmtes Hohlraum-Resonanzfrequenzsignal bereitzustellen, um einen Innendruck der inneren Druckkammer zu erhöhen; eine Signal-Übertragungseinheit zum Erzeugen des vorbestimmten Hohlraum-Resonanzfrequenzsignals und zum Eingeben des erzeugten Hohlraum-Resonanzfrequenzsignals in die innere Druckkammer durch den Hohlraumresonator in Reaktion auf ein externes Eingaberegelsignal; und eine Flüssigkeitskammer zum Versorgen der inneren Druckkammer mit einer Flüssigkeit, wobei die Flüssigkeitskammer durch den Flüssigkeitseinlass in einer Strömungsverbindung mit der inneren Druckkammer steht, wobei sich der Flüssigkeitseinlass und der Flüssigkeitsauslass jeweils durch die innere Druckkammer und den Hohlraumresonator erstrecken, sodass eine Flüssigkeit von innerhalb der inneren Druckkammer nach außen durch den Flüssigkeitsauslass ausgestoßen wird, wenn ein Innendruck der inneren Druckkammer durch den Hohlraumresonator erhöht wird.
Die Erfindung stellt somit einen Druckkopf mit einem RF MEMS-Sprühkopf zur Verfügung, der eine schnelle Reaktionsgeschwindigkeit beim Ausstoßen von Tinte, eine einfache und genaue Regelung des Tintenausstoßes und eine einfache Struktur aufweist, um eine hohe Integration der Düsen zu erlauben.
Vorzugsweise wird der Hohlraumresonator von einer hermetisch geschlossenen Metallstruktur gebildet.
Vorzugsweise kann die RF MEMS-Spritzdüse ferner ein Substrat mit einer Düse aufweisen, die an einer dem Flüssigkeitsauslass entsprechenden Position angeordnet ist, wobei das Substrat an einer Unterseite des Hohlraumresonators angeschweißt ist, wo die Flüssigkeitsauslässe gebildet sind.
Der Hohlraumresonator kann einen Kopplungsschlitz enthalten, der auf einer Unterseite des Hohlraumresonators gebildet ist, die im Kontakt mit dem Substrat steht, wobei der Kopplungsschlitz so ausgelegt ist, dass er das Hohlraum-Resonanzfrequenzsignal von dem Hohlraumresonator empfängt. Die Signalübertragungseinheit kann an einer Position angeordnet sein, die dem Kopplungsschlitz entspricht, wobei das Substrat dazwischen angeordnet ist.
Die Signalübertragungseinheit kann einen Signalerzeuger zum Erzeugen des Hohlraum-Resonanzfrequenzsignals enthalten, und einen Signaleingangsanschluss, der in einer Position angeordnet ist, die dem Kopplungsschlitz entspricht, zum Eingeben des Hohlraum-Resonanzsignals in den Hohlraumresonator durch den Kopplungsschlitz. Die Signalübertragungseinheit kann ferner einen Signalverstärker zum Verstärken des Hohlraum-Resonanzfrequenzsignals vom Signalerzeuger enthalten.
Die Signalübertragungseinheit kann an einer Position auf dem Substrat angeordnet sein, die dem Flüssigkeitsauslass entspricht, wobei das Substrat dazwischen angeordnet ist und die Signalübertragungseinheit dazu ausgelegt ist, das Hohlraum-Resonanzsignal in den Hohlraumresonator durch den Flüssigkeitsauslass einzugeben, wobei sich die Düse bis zu einer Position erstreckt, die dem Flüssigkeitsauslass entspricht.
In dem RF MEMS-Sprühkopf verhindert der Flüssigkeitseinlass, dass eine Flüssigkeit in der inneren Druckkammer zurück in die Flüssigkeitskammer fließt, wenn ein Innendruck der inneren Druckkammer durch den Hohlraumresonator erhöht wird.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Substrat ferner mehrere Düsen umfassen, wobei jede Düse einer Position einer von mehreren Flüssigkeitsauslässen entspricht. Ebenso kann die vom Hohlraumresonator umgebene innere Druckkammer eine von mehreren inneren Druckkammern sein, die jeweils von einem von mehreren Hohlraumresonatoren umgeben sind, und wobei jede der mehreren inneren Druckkammern in einem vorbestimmten Abstandsintervall von einer benachbarten der mehreren inneren Druckkammern angeordnet ist.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die obigen und weiteren Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann durch die detaillierte Beschrei bung von bevorzugten Ausführungsformen derselben durch den Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen deutlich werden, in denen:
1 einen Querschnitt eines herkömmlichen Druckkopfes mit einem piezoelektrischen Element veranschaulicht;
2A einen Querschnitt durch einen Druckkopfes mit RF MEMS-Sprühkopf gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
2B eine Ansicht von unten des Druckkopfes in 2A veranschaulicht;
3A einen Querschnitt durch einen Druckkopf mit einem RF MEMS-Sprühkopf gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; und
3B eine Ansicht von unten des Druckkopfs der 3A veranschaulicht.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wird nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen genauer beschrieben, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt sind. Die Erfindung kann jedoch auf verschiedene Weise ausgeführt sein und sollte nicht so ausgelegt werden, dass sie auf die im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen begrenzt ist. Diese Ausführungsformen werden vielmehr deshalb angegeben, damit die Offenbarung vollständig und gründlich ist und den in den Ansprüchen definierten Schutzbereich der Erfindung stützen. In den Zeichnungen sind die Dicken der Schichten und Bereiche zu Zwecken der Klarheit übertrieben. Es versteht sich von selbst, dass, wenn angegeben ist, dass eine Schicht "auf" einer anderen Schicht oder einem Substrat ist, diese direkt auf der anderen Schicht oder dem Substrat angeordnet sein kann, dass dazwischenliegende Schichten jedoch auch vorhanden sein können. Ferner versteht sich, dass, wenn angegeben ist, dass eine Schicht "unter" einer anderen Schicht liegt, diese direkt unter derselben liegen kann, dass eine oder mehrere dazwischenliegende Schichten jedoch auch vorhanden sein können. Außerdem versteht sich, dass, wenn angegeben ist, dass eine Schicht "zwischen" zwei Schichten liegt, diese die einzige Schicht zwischen den beiden Schichten sein kann oder dass eine oder mehrere dazwischenliegende Schichten ebenfalls vorhanden sein können. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Elemente.
2A veranschaulicht einen Querschnitt durch einen Druckkopf mit einem RF MEMS-Sprühkopf gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2B veranschaulicht eine Ansicht von unten des Druckkopfes der 2A.
Wie in den 2A und 2B gezeigt, enthält ein RF MEMS-Sprühkopf eine in diesem angeordnete innere Druckkammer 27, einen an der Oberseite der inneren Druckkammer 27 angeordneten Flüssigkeitseinlass 21 und einen Hohlraumresonator 20 mit einem Kopplungsschlitz 23 zum Empfangen eines Hohlraum-Resonanzfrequenzsignals und einen Flüssigkeitsauslass 30, der an einer Unterseite der inneren Druckkammer angeordnet ist.
Der RF MEMS-Sprühkopf 20 enthält ferner ein Substrat 29 mit einer Düse 22 in einer Position, die dem Flüssigkeitsauslass 30 entspricht. Das Substrat 29 ist auf die Unterseite des Hohlraumresonators 20 angeschweißt, und eine Signalübertragungseinheit 31 ist unter das Substrat 29 geschweißt.
Die Signalübertragungseinheit 31 enthält einen Signaleingangsanschluss 24 in einer Position, die dem Kopplungsschlitz 23 gegenüberliegt, wobei das Substrat 29 dazwischen angeordnet ist, einen Signalerzeuger 25, der an einem dem Signaleingangs anschluss 24 gegenüberliegenden Ende der Signalübertragungseinheit 31 angeordnet ist, zum Erzeugen eines Hohlraum-Resonanzfrequenzsignals, und einen Signalverstärker 26 zum Verstärken des erzeugten Hohlraum-Resonanzfrequenzsignals.
Es ist wohlbekannt, dass eine Hohlraum-Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators 20 eine Funktion eines Hohlraumvolumens ist; deshalb wird auf eine detaillierte Beschreibung desselben verzichtet.
Was den Vorgang des Ausstoßens eines inneren Materials, z. B. einer Flüssigkeit, aus der von dem Hohlraumresonator 20 umgebenen inneren Druckkammer 27 betrifft, ist dieser Vorgang wie folgt.
Der Hohlraumresonator 20 besteht aus einem Metall mit einer hermetisch abgeschlossenen Struktur. Eine darin eingegebene Hohlraum-Resonanzfrequenz bringt den Resonator 20 zum Schwingen, was dazu führt, dass sich das innere Material ausdehnt und dadurch ein Innendruck des Hohlraumresonators und der inneren Druckkammer 27 erhöht wird. Als Ergebnis wird das innere Material nach außen durch einen kleinen Auslass, z. B. einen Flüssigkeitsauslass 30, ausgestoßen.
Wenn das Hohlraumvolumen des Resonators 20 ungefähr 2,86 × 10^–14 mm³ beträgt und ein entsprechendes Hohlraum-Resonanzfrequenzsignal in den Hohlraumresonator 20 eingegeben wird, beträgt die Eingangsenergie vorzugsweise von etwa 3,9 bis 8,0 μJ. Die Ausgangsenergie, mit der das innere Material der inneren Druckkammer 27 und des Hohlraumresonators 20 nach außen ausgestoßen wird, beträgt ungefähr 5 × 10^–17 J. In den 2A, 2B, 3A und 3B sind die Abmessungen des Hohlraumresonators 20 durch die Bezugszeichen a, b und h für die Breite, die Länge bzw. die Höhe angegeben.
Der Hohlraumresonator 20 und die innere Druckkammer enthalten einen Flüssigkeitseinlass 21, der eine Strömungsverbindung zwischen einer Flüssigkeitskammer 28 zum Hohlraumresonator 20 und der inneren Druckkammer 27 an einer Oberseite des Hohlraumresonators 20 bildet. Der Flüssigkeitseinlass 21 verhindert, dass eine in der inneren Druckkammer 27 und dem Hohlraumresonator 20 verbleibende Flüssigkeit zurück durch den Flüssigkeitseinlass und in die Flüssigkeitskammer 28 fließt, wenn ein Innendruck der inneren Druckkammer 27 erhöht wird. Der Hohlraumresonator 20 enthält ferner den Flüssigkeitsauslass 30 an seiner Unterseite.
Wenn der Hohlraumresonator 20 bei Resonanz ein Hohlraum-Resonanzfrequenzsignal liefert, wird der Innendruck der inneren Druckkammer 27 erhöht, und somit wird die Flüssigkeit in der inneren Druckkammer 27 nach außen durch den Flüssigkeitsauslass 30 ausgestoßen. Der Flüssigkeitsauslass 30 erstreckt sich durch die innere Druckkammer 27, den Hohlraumresonator 20 und das Substrat 29, das auf einer Unterseite des Hohlraumresonators 20 angeschweißt sein kann.
Das Substrat 29 enthält die Düse 22 in einer Position, die dem Flüssigkeitsauslass 30 entspricht, sodass die Flüssigkeit innerhalb der inneren Druckkammer 27 in einem Tröpfchen nach außen durch die Düse 22 ausgestoßen wird. Das Substrat 29 ist unterhalb der inneren Druckkammer 27 angeordnet, wobei der Signalerzeuger 25, der Signalverstärker 26 und die Signalübertragungseinheit 31 mit dem Signaleingangsanschluss 24 auf dem Substrat 29 angeordnet sind.
Der Signalerzeuger 25 erzeugt ein Hohlraum-Resonanzfrequenzsignal, um den Hohlraumresonator 20 zum Schwingen zu bringen, in Reaktion auf ein externes Eingangskontrollsignal (nicht gezeigt) und gibt das Hohlraum-Resonanzfrequenzsignal an den Signalverstärker 26 aus. Der Signalverstärker 26 gibt das Hohlraum-Resonanzfrequenzsignal aus dem Signalerzeuger 25 in Reaktion auf das externe Eingangskontrollsignal ein und verstärkt das Eingangssignal, um das verstärkte Signal an den Signaleingangsanschluss 24 zu übertragen. Der Signaleingangsanschluss 24 ist an einer Position angeordnet, die dem Kopplungsschlitz 23 an der Unterseite des Substrats 29 gegenüberliegt.
Im Betrieb erhöht die durch den Flüssigkeitseinlass 21 eintretende Flüssigkeit das Volumen und erhöht so einen Innendruck der inneren Druckkammer 27, sodass die eingetretene Flüssigkeit in Tröpfchen nach außen durch den Flüssigkeitsauslass 30 und die Düse 22 ausgestoßen wird.
Wenn eine Signaleingabe durch den Hohlraumresonator 20 angehalten wird, verringert sich das in der inneren Druckkammer 27 verbleibende Flüssigkeitsvolumen, und der Innendruck der inneren Druckkammer 27 verringert sich folglich, sodass die Flüssigkeit in die innere Druckkammer 27 aus der Flüssigkeitskammer 28 durch den Flüssigkeitseinlass 21 fließt.
Der Druckkopf mit dem RF MEMS-Sprühkopf gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann mehrere RF MEMS-Sprühköpfe aufweisen, die jeweils die oben beschriebene Struktur aufweisen. Wenn mehrere Sprühköpfe vorgesehen sind, kann jeder in einem vorbestimmten Abstandsintervall von einem benachbarten Sprühkopf angeordnet sein. Ebenso kann eine Flüssigkeitskammer 28, wie in den beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht, in einem oberen Abschnitt der Hohlraumresonatoren 20 angeordnet sein, um die innere Druckkammer 27 durch die Flüssigkeitseinlässe 21 mit Tinte zu versorgen.
Die einzige Flüssigkeitskammer 28 ist für mehrere Hohlraumresonatoren 20 vorgesehen, von denen jede einer einzigen Farbe entspricht.
Im Betrieb erzeugt eine Signaleingangseinheit 31, die dem Hohlraumresonator 20 entspricht, ein Hohlraum-Resonanzfrequenzsignal in Reaktion auf ein externes Eingangsregelsignal und gibt das erzeugte Signal in den Hohlraumresonator 20 ein, wodurch der Hohlraumresonator 20 zum Schwingen gebracht wird. Als Ergebnis dieser Resonanz erhöht sich der Innendruck der inneren Druckkammer 27 und da die Flüssigkeit innerhalb der inneren Druckkammer 27 nicht zurück durch die Flüssigkeitseinlässe 21 fließen kann, wird ein Flüssigkeitströpfchen von innerhalb der inneren Druckkammer 27 nach außen durch den Flüssigkeitsauslass 30 und die Düse 22 ausgestoßen.
Vorzugsweise kann ein Verstärkungsfaktor des Signalverstärkers 26 und eine Eingabezeit des Hohlraum-Resonanzfrequenzsignals an den Hohlraumresonator 20 genau derart angepasst sein, dass die Steuerung des Innendrucks der inneren Druckkammer 27 und die genaue Regelung einer Menge von ausgestoßener Tinte erleichtert wird.
In Bezug auf die 3A und 3B wird nun ein Druckkopf mit einem RF MEMS-Sprühkopf gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Die 3A veranschaulicht einen Querschnitt durch den Druckkopf mit dem RF MEMS-Sprühkopf gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 3B veranschaulicht eine Ansicht von unten des Druckkopfes in 3A.
Wie dargestellt, weist der Druckkopf gemäß der zweiten Ausführungsform eine ähnliche Struktur wie der Druckkopf gemäß der ersten Ausführungsform auf, außer dass der Kopplungsschlitz 23 bei der zweiten Ausführungsform nicht vorhanden ist und der Signaleingabeanschluss 24 sich bis zu einer Düse 22 erstreckt.
Im Betrieb wird ein Hohlraum-Resonanzfrequenzsignal auf einen Signalverstärker 26 in einen Hohlraumresonator 20 durch einen Flüssigkeitsauslass 30 eingegeben. In jeder anderen Hinsicht funktioniert der Druckkopf mit dem RF MEMS-Sprühkopf mit der Struktur der zweiten Ausführungsform auf die gleiche Weise wie der Druckkopf gemäß der ersten Ausführungsform.
Genauer wird ein vom Signalerzeuger 25 erzeugtes Hohlraum-Resonanzfrequenzsignal durch den Signalverstärker 26 verstärkt und dann in den Hohlraumresonator 20 durch den Flüssigkeitsauslass 30 eingegeben, um den Hohlraumresonator 20 zum Schwingen zu bringen. Ein Innendruck der inneren Druckkammer 27 wird dann erhöht und somit ein Flüssigkeitströpfchen von innerhalb der inneren Druckkammer 27 nach außen durch einen Flüssigkeitsauslass 30 und die Düse 22 ausgestoßen, da die Flüssigkeit innerhalb der inneren Druckkammer 27 nicht durch den Flüssigkeitseinlass 21 zurückfließen kann.
Bei dem Druckkopf mit dem RF MEMS-Sprühkopf gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erhöht sich eine Reaktionsgeschwindigkeit beim Ausstoßen von Tinte, und eine genau Regelung des Ausstoßens einer Flüssigkeit, z. B. Tinte, wird weniger kompliziert, sodass ein Druckkopf mit einer einfachen Struktur, die eine hohe Integration der Düsen erlaubt, bereitgestellt werden kann.
Bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurden offenbart, und obgleich spezifische Ausdrücke verwendet wurden, sollen ausschließlich in einem generischen und beschreibenden Sinn verstanden werden und nicht zum Zweck der Einschränkung. Dementsprechend wird der Fachmann verstehen, dass verschiedene Abänderungen in der Form und in Details vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, wie er in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist.

Claims

Druckkopf mit einem mikro-elektromechanischen Funkfrequenzsystem zum Ausstoßen von Tintentropfen, wobei der Druckkopf umfasst: eine innere Druckkammer mit einem Flüssigkeitseinlass (21) und einem Flüssigkeitsauslass (30); einen Hohlraumresonator (20), der die innere Druckkammer umgibt, wobei der Hohlraumresonator dazu ausgelegt ist, ein vorbestimmtes Hohlraum-Resonanzfrequenzsignal bereit zu stellen, um einen Innendruck der inneren Druckkammer zu erhöhen; eine Signalübertragungseinheit (31) zum Erzeugen des vorbestimmten Hohlraum-Resonanzfrequenzsignals und zum Eingeben des erzeugten Hohlraum-Resonanzfrequenzsignals in die innere Druckkammer durch den Hohlraumresonator in Reaktion auf ein externes Eingaberegelsignal; und eine Flüssigkeitskammer (28) zum Versorgen der inneren Druckkammer mit einer Flüssigkeit, wobei die Flüssigkeitskammer durch den Flüssigkeitseinlass in einer Strömungsverbindung mit der inneren Druckkammer steht, wobei sich der Flüssigkeitseinlass (21) und der Flüssigkeitsauslass (30) jeweils durch die innere Druckkammer und den Hohlraumresonator erstrecken, so dass eine Flüssigkeit von innerhalb der inneren Druckkammer nach außen durch den Flüssigkeitsauslass ausgestoßen wird, wenn ein Innendruck der inneren Druckkammer durch den Hohlraumresonator erhöht wird.
Druckkopf nach Anspruch 1, wobei der Hohlraumresonator (20) von einer hermetisch geschlossenen Metallstruktur gebildet wird.
Druckkopf nach Anspruch 1 oder 2, welcher ferner ein Substrat (29) mit einer Düse (22) umfasst, die an einer dem Flüssigkeitsauslass entsprechenden Position angeordnet ist, wobei das Substrat an eine Unterseite des Hohlraumresonators angeschweißt ist, wo die Flüssigkeitsauslässe gebildet sind.
Druckkopf nach Anspruch 3, bei welchem der Hohlraumresonator einen Kopplungsschlitz (23) umfasst, der auf einer Unterseite des Hohlraumresonators gebildet ist, die im Kontakt mit dem Substrat steht, wobei der Kopplungsschlitz so ausgelegt ist, dass er das Hohlraum-Resonanzfrequenzsignal von dem Hohlraumresonator empfängt.
Druckkopf nach Anspruch 4, bei welchem die Signalübertragungseinheit in einer Position angeordnet ist, die dem Kopplungsschlitz entspricht, wobei das Substrat dazwischen angeordnet ist.
Druckkopf nach Anspruch 5, bei welchem die Signalübertragungseinheit umfasst: einen Signalerzeuger (25) zum Erzeugen des Hohlraum-Resonanzfrequenzsignals; und einen Signaleingangsanschluss (23), der in einer Position angeordnet ist, die dem Kopplungsschlitz entspricht, zum Eingeben des Hohlraum-Resonanzsignals in den Hohlraumresonator durch den Kopplungsschlitz.
Druckkopf nach Anspruch 6, wobei die Signalübertragungseinheit ferner umfasst: einen Signalverstärker (26) zum Verstärken des Hohlraum-Resonanzfrequenzsignals des Signalerzeugers.
Druckkopf nach Anspruch 3, wobei die Signalübertragungseinheit an einer Position auf dem Substrat angeordnet ist, die dem Flüssigkeitsauslass entspricht, wobei das Substrat dazwischen angeordnet ist und die Signalübertragungseinheit dazu ausgelegt ist, das Hohlraum-Resonanzsignal in den Hohlraumresonator durch den Flüssigkeitsauslass einzugeben, wobei sich die Düse bis zu einer Position erstreckt, die dem Flüssigkeitsauslass entspricht.
Druckkopf nach einem der Anspruch 3 bis 8, wobei das Substrat ferner umfasst: mehrere Düsen, wobei jede Düse einer Position einer von mehreren Flüssigkeitsauslässen entspricht.
Druckkopf nach Anspruch 9, wobei die vom Hohlraumresonator umgebene innere Druckkammer eine von mehreren inneren Druckkammern ist, die jeweils von einem von mehreren Hohlraumresonatoren umgeben sind und wobei jede der mehreren inneren Druckkammern in einem vorbestimmten Abstands intervall von einer benachbarten der mehreren inneren Druckkammern angeordnet ist.
Druckkopf nach einem der Anspruch 1 bis 3, wobei der Hohlraumresonator ferner umfasst: einen Kopplungsschlitz, der auf einer Seite des Hohlraumresonators gebildet ist, um das Hohlraum-Resonanzfrequenzsignal in den Hohlraumresonator zu empfangen.
Druckkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Flüssigkeitseinlass dazu ausgelegt ist, eine Flüssigkeit im inneren der inneren Druckkammer daran zu hindern, zurück in die Flüssigkeitskammer zu fließen, wenn ein Innendruck der inneren Druckkammer durch den Hohlraumresonator erhöht wird.