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Diese Erfindung betrifft Wärmetintenstrahldruckeinrichtungen
und insbesondere Wärmetintenstrahldruckköpfe mit Blasen
erzeugenden Heizelementen.
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Obgleich Wärmetintenstrahldrucken entweder von der Art mit
einem fortlaufenden Strom oder einer Art vom Tröpfchen-auf-
Anforderungs-Typ sein kann, ist seine häufigste Art die vom
Typ
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der Tröpfchen-auf-Anforderung. Als Einrichtung vom
Tröpfchen-auf-Anforderungstyp verwendet es Wärmeenergie, um eine
Dampfblase in einem tintengefüllten Kanal zu erzeugen, um
ein Tintentröpfchen aus dem Kanal auszustoßen. Ein
Wärmeenergiegenerator oder Heizelement, üblicherweise ein
Widerstand, ist in jedem einer Mehrzahl von Kanälen nahe einer
Düse an dem Kanalende angeordnet. Jeder Widerstand wird
einzeln mit einem Stromimpuls angesprochen, um momentan
Tinte zu verdampfen und eine Blase zu erzeugen, die ein
Tintentröpfchen ausstößt. Wenn die Blase wächst, wölbt sich
die Tinte aus der Düse heraus und wird durch die
Oberflächenspannung der Tinte als ein Meniskus gehalten. Wenn die
Blase beginnt, zusammenzubrechen, beginnt die noch in dem
Kanal zwischen der Düse und der Blase vorhandene Tinte sich
in Richtung zu der zusammenbrechenden Blase zu bewegen,
wodurch ein volumenmäßiges Zusammenziehen der Tinte bei der
Düse hervorgerufen wird und eine Trennung der vorwölbenden
Tinte als ein Tröpfchen ergibt. Die Beschleunigung der Tinte
aus der Düse heraus, während die Blase wächst, liefert den
Impuls und die Geschwindigkeit des Tröpfchens in einer im
wesentlichen geradlinigen Richtung in Richtung zu einem
Aufzeichnungsmedium, wie Papier.
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Das Umfeld des Heizelementes während des
Tröpfchenausstoßvorganges besteht aus hohen Temperaturen, einer
frequenzbezogenen Wärmespannung, einem großen elektrischen Feld und
einer beträchtlichen Kavitationsspannung. Die von der
zusammenbrechenden Dampfblase in der Passivierungsschicht über
den Heizelementen erzeugten, mechanischen Spannungen sind
schwerwiegend genug, einen Spannungsbruch und in Verbindung
mit ionischen Tinten einen Errosions/Korrosions-Angriff des
Passivierungsmaterials zu ergeben. Die sich addierende
Beschädigung und Materialentfernung der Passivierungsschicht
und der Heizelemente ergibt die Bildung heißer Flecken und
ein Heizversagen. Demgemäß wird eine Schutzschicht, wie
Tantal (Ta) im allgemeinen auf den Heizelementen oder
Widerständen und ihrer Passivierungsschicht vorgesehen, um den
Kavitationsschaden zu verringern. Bei der
Seitenausstoßausgestaltung eines Wärmetintenstrahldruckkopfes sind
die Strömungsrichtung der Tinte zu der Düse und die Bahn des
ausgestoßenen Tröpfchens dieselbe und diese Richtung ist
parallel zu der Oberfläche der Widerstände. Die vorliegende
Erfindung betrifft diese Ausgestaltung und auch die
Dachvorsprungsausgestaltung (roof shooter configuration), bei der
die Tröpfchen in einer zu den Heizelementen senkrechten
Richtung von allgemein darüber ausgerichteten Düsen
ausgestoßen werden.
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Bei Heizelementen nach dem Stand der Technik gibt es einen
Temperaturunterschied bis zu 100ºC zwischen der Temperatur
in der Mitte und an den Rändern eines 45 bis 50 Mikrometer
weiten Heizelementes. Die Temperatur fällt auch an den Enden
in der Längsrichtung (das heißt längs der Länge des
Tintenkanals) ab, weil die Heizelementlänge in dieser Richtung
beträchtlich länger als die aktive Länge ist. Unter "aktive
Länge" wird der Abschnitt des Widerstandsmaterials
verstanden, der verwendet wird, um die Blase zu bilden, der grob
der Abschnitt unter der freien Tantal-Schutzschicht oder -
Vertiefung ist, wenn eine Dickschicht verwendet wird, wie es
in US-Patent 4, 638, 337 von Torpey u. a. (siehe Fig. 3)
verwendet
wird. Einige Energie geht in diesem nichtaktiven
Abschnitt der Elektrodengrenzschicht verloren und dieser
Verlust kann durch Verkürzen der Länge des Heizelementes in
dieser Richtung verringert werden. Jedoch bleibt die
Schwierigkeit der Ungleichförmigkeit in der Querrichtung
selbst für ein gekürztes Heizelement. Bei der
Schwellenenergieeingabe erreicht nur die Mitte der
Heizelementoberfläche die Keimbildungstemperatur. Die Ränder des
Heizelementes sind auf beträchtlich niedereren Temperaturen. Die
Blasenbildung ist in dieser Situation nicht stark und stabil
genug, um brauchbare Tintentröpfchen zu erzeugen. Deshalb
ist es erforderlich, die Energieeingabe zu dem Heizelement
zu erhöhen, so daß ein größerer Abschnitt der
Heizelementoberfläche die Keimbildungstemperatur überschreitet und der
Druckkopf fähig ist, große und schnelle Tintentröpfchen zu
erzeugen und auszustoßen. Die Erfahrung hat gezeigt, daß
eine Energieerhöhung bis zu 20% oberhalb der
Schwellenenergie erforderlich ist, um dieses Ziel zu erreichen. Wegen der
größeren Energieeingabe zu dem Heizelement überschreitet die
Temperatur in dem Mittelbereich des Heizelementes die
Keimbildungstemperatur. Es wird auf Fig. 5 bezug genommen. Diese
Energieerhöhung ist erforderlich, um eine ausreichend große
Blase zu erzeugen, um ein Tröpfchen geeigneter Größe
auszustoßen. Somit müssen die Heizelemente auf höhere
Temperaturen gebracht werden, als erforderlich wäre, wenn das
Temperaturprofil in Querrichtung gleichförmig wäre. Die
Abhängigkeit der Tropfengröße von der Energie ist wahrscheinlich ein
Ergebnis der ungleichförmigen Quertemperatur über die Weite
des Heizelementes.
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Die Tintenstrahlindustrie hat erkannt, daß die
Betriebslebensdauer von Tintenstrahldruckköpfen unmittelbar auf die
Anzahl der erzeugten und zusammengebrochenen Zyklen oder
Blasen bezogen ist, die das Heizelement vor dem Versagen
aushalten kann. Verschiedene Ansätze und
Heizelementkonstruktionen sind in den folgenden Patenten geoffenbart,
wobei keines von ihnen die Schwierigkeit einer
ungleichförmigen
Temperaturverteilung über die Weite des Heizelements
in einer zu der Tröpfchenbahn querverlaufenden Richtung
gelöst hat.
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US 4,725, 859 von Shibata u. a. offenbart einen
Tintenstrahlaufzeichnungskopf, der einen elektrothermischen Wandler
umfaßt, der eine wärmeerzeugende Widerstandsschicht und ein
mit der Schicht verbundenes Elektrodenpaar aufweist, so daß
ein wärmeerzeugender Abschnitt zwischen den Elektroden
vorgesehen wird. Die Elektroden sind in der Nähe des
wärmeerzeugenden Abschnittes aus dem Grund dünner gebildet, um eine
Verringerung der Passivierungsschicht an den Ecken der Stufe
auszuschließen, die durch die gegenüberliegenden Ränder der
Elektroden nahe dem wärmeerzeugenden Abschnitt der
Widerstandsschicht gebildet werden.
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US 4, 567, 493 und US 4, 686, 544, jeweils von Ikeda u. a.
offenbaren einen Tintenstrahlaufzeichnungskopf mit einem
elektrothermischen Wandler, der ein Elektrodenpaar umfaßt,
das mit einer Widerstandsschicht verbunden ist, um einen
wärmeerzeugenden Bereich festzulegen. US 4, 567, 493 offenbart
eine Passivierungsschicht 208, die ein Kurzschließen der
Elektroden verhindert, und eine zweite Passivierungsschicht
209 verhindert das Eindringen von Tinte und verstärkt die
Flüssigkeitswiderstandsfähigkeit der
Elektrodenpassivierungsschichten. Eine dritte Schicht 210 schützt den
wärmeerzeugenden Bereich gegenüber Kavitationskräften. US 4, 686, 544
offenbart eine gemeinsame Rückführelektrode, die die gesamte
Oberfläche des Substrats 206 überdeckt und auf einer
Isolierschicht 207 aufliegt, die die Mehrzahl von Wandlern mit
Öffnungen darin zur Anordnung der wärmeerzeugenden Bereiche
enthält.
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US 4, 339, 762 von Shirato u. a. offenbart einen
Tintenstrahlaufzeichnungskopf, in dem der wärmeerzeugende Bereich des
Wandlers eine solche Konstruktion aufweist, daß die
zugeführte Wärmemenge unterschiedlich von Stelle zu Stelle auf
der Heizoberfläche zu dem Zweck ist, das Volumen der
momentan erzeugten Blasen zu ändern, um eine Gradation bei
gedruckten Informationen zu erzielen.
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US 4, 370, 668 von Hara u. a. offenbart einen
Tintenstrahlaufzeichnungsvorgang, der einen elektrothermischen
Wandler verwendet, der eine auf einem Substrat unter
Einschluß einer Widerstandsschicht und Adressierelektroden-
Schichtstruktur aufweist. Eine Signalspannung wird an die
Widerstandsschicht gelegt, während eine zweite Spannung von
ungefähr der Hälfte der Signalspannung an eine Tantal-
Schutzschicht gelegt wird, die durch eine
Passivierungsschicht elektrisch von dem Wandler isoliert ist. Eine solche
Anordnung erhöht die elektrische Durchbruchspannung und
erhöht die Lebensdauer des Aufzeichnungskopfes.
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US-4, 532, 530 von Hawkins offenbart einen
Wärmetintenstrahldruckkopf mit aus dotiertem polykristallinem Silizium
erzeugten Heizelementen. Glas-Tafelflächen isolieren thermisch
den aktiven Bereich des Heizelementes von dem Silizium
tragenden Substrat und von den Elektrodenverbindungspunkten.
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Es ist eine Zielsetzung der vorliegenden Erfindung, einen
Wärmetintenstrahldruckkopf bereitzustellen, der ein
Heizelement aufweist, das eine im wesentlichen gleichförmige
Temperatur quer zu seiner Weite und in einer zu der Bahn der
ausgestoßenen Tintentröpfchen querverlaufenden Richtung
bereitstellen kann, wodurch die zum Ausstoßen eines
Tröpfchen erforderliche Leistung verringert und die Abhängigkeit
der Tröpfchengröße von der elektrischen Signalernergie
ausgeschlossen werden kann.
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Die vorliegende Erfindung schafft einen
Wärmetintenstrahldruckkopt, der eine Mehrzahl von Heizelementen in
Tintenkanälen aufweist, die selektiv durch elektrische Signale
adressierbar sind, um Tintentröpfchen aus an einem Ende der
Tintenkanäle angeordneten Düsen auf Anforderung auszustoßen.
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Jedes der Heizelemente weist eine passivierte Schicht aus
Widerstandsmaterial auf, die einen ungleichförmigen
flächigen Widerstand in eine zu der Richtung der Tintenkanäle
querverlaufenden Richtung aufweist. Der ungleichförmige
flächige Widerstand liefert eine im wesentlichen
gleichförmige Temperatur über die Weite der Widerstandsschicht.
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In beispielhafter Weise wird nun eine Ausführungform der
Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
beschrieben, in denen gleiche Teile die gleichen
Bezugszeichen aufweisen. In den Zeichnungen zeigt:
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Fig. 1 eine schematische, teilweise isometrische Ansicht
eines Druckkopfes gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Fig. 2 eine Querschnittsansicht des Druckkopfes, wenn man
längs der Sichtlinie 2-2 der Fig. 1 betrachtet.
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Fig. 3 eine vergrößerte Querschnittsansicht des
Heizelementes des Druckkopfes in derselben Ausrichtung,
wie es in Fig. 2 gezeigt ist.
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Fig. 4 eine vergrößerte Draufsicht der Widerstandsschicht
des Heizelementes, wobei die Verbindungselektroden
mit gestrichelten Linien gezeigt sind.
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Fig. 5 eine Kurve der Temperatur über die Weite bei einem
Heizelement nach dem Stand der Technik.
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Fig. 6 eine Kurve der Temperatur über die die Weite des
Heizelementes der Fig. 3 und 4.
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Fig. 7 eine Kurve, die die Temperaturen über die Weite
eines Heizelementes nach dem Stand der Technik und
des Heizelementes der Fig. 3 und 4 vergleicht.
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In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines
Heizelements 18 enthaltenden Wärmetintenstrahlkopfes 10 teilweise
in isometrischer Ansicht gezeigt, wobei die
Tintentröpfchenbahnen 11 mit gestrichelter Linie für Tröpfchen 12 gezeigt
ist, die auf Anforderung aus den Öffnungen oder Düsen 14
ausgestoßen worden sind. Der Druckkopf umfaßt eine
Kanalplatte oder Kanalsubstrat 13, das dauerhaft mit der
Heizplatte oder dem Heizsubstrat 15 mit einer dazwischen
geschichteten, isolierenden Dickschicht 40 verbunden ist, wie
es in US-Patent 4, 638, 337 von Torpey u. a. geoffenbart ist.
Das Material der Kanalplatte ist Silizium und die Heizplatte
15 kann irgendein dielektrisches Material oder
Halbleitermaterial sein. Wenn ein Halbleitermaterial für die Heizplatte
verwendet wird, dann muß eine isolierende Schicht (nicht
gezeigt) zwischen ihr und den Elektroden 17 und 19 verwendet
werden, wie es später erörtert wird. Vorzugsweise ist das
Material beider Substrate Silizium wegen der geringen Kosten
und der Möglichkeit der Massenherstellung.
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Eine Oberfläche der Kanalplatte 13 enthält eine durchgeätzte
Ausnehmung 20 mit offenem Boden 25, der mit unterbrochenen
Linien gezeigt ist, die, wenn sie auf die Heizplatte 15
aufgepaßt ist, ein Tintenbehältnis oder Tintenverzweigung
bildet. Eine Mehrzahl identischer, paralleler Nuten 22, die
mit unterbrochenen Linien gezeigt sind und dreieckförmige
Querschnitte aufweisen, sind in dieselbe Oberfläche der
Kanalplatte geätzt, wobei eines ihrer Enden den Rand 16 der
Kanalplatte durchdringt. Dieser Rand 16 wird auch als
Düsenseite bezeichnet. Die anderen Nutenenden öffnen in die
Ausnehmung oder Verteilung 20. Wenn die Kanalplatte und die
Heizplatte aneinander gepaßt sind, erzeugen die
Nutendurchdringungen durch den Rand 16 die Düsen 14 und die Nuten 22
dienen als Tintenkanäle, die die Verteilung mit den Düsen
verbinden. Der offene Boden 25 in der Kanalplatte liefert
eine Einlaßeinrichtung, um einen Tintenvorrat in der
Verteilung von einer Tintenvorratsquelle (nicht gezeigt)
aufrechtzuerhalten.
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Fig. 2 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht des
Druckknopfes, wenn man längs der Sichtlinie 2-2 der Fig. 1
betrachtet, und zeigt ein Heizelement 18, eine einzelne
Adressierelektrode 17 mit Anschluß 21 und eine gemeinsame
Rückführelektrode 19. Die Heizelemente weisen auf der
Oberfläche 23 der Heizplatte 15 gemusterte Widerstandsschichten
auf, eine für jeden Tintenkanal in einer Art, wie es in dem
obengenannten Patent von Hawkins u. a. beschrieben ist, und
dann werden die Elektroden 17 und die gemeinsame
Rückführelektrode 19 darauf abgelagert. Die Adressierelektroden und
die Rückführelektrode sind mit entsprechenden Anschlüssen 21
nahe den Rändern der Heizplatte mit Ausnahme des Randes 24
verbunden, der mit dem die Düsen 14 enthaltenden
Kanalplattenrand 16 koplanar ist (siehe Fig. 1). Die auf Masse
liegende, gemeinsame Rückführleitung 19, die besser in Fig. 1
zu sehen ist, beabstandet notwendigerweise die Heizelemente
18 von dem Heizplattenrand 24 und somit den Düsen 14. Die
Adressierelektroden und die Heizelemente befinden sich beide
in den Tintenkanälen, wobei sie eine von kleinen Löchern
freie Passivierung verlangen, woimmer die Tinte sie berühren
kann. Die Dickschicht 40 liefert den zusätzlichen
notwendigen Schutz, um die Passivierungsganzheit zu verbessern und
schließt Überlegungen wegen kleiner Löcher in der
Passivierungsschicht 28 (in Fig. 3 gezeigt) aus. Die Anschlüsse 21
werden zur Drahtverbindung (nicht gezeigt) der
Adressierelektroden und einer gemeinsamen Rückführleitung zu einer
Spannungsversorgungseinheit verwendet, die selektiv die
Heizelemente mit einem elektrischen Impuls adressieren kann,
der eine digitalisierte Date darstellt, wobei jeder Impuls
ein Tröpfchen aus dem Druckkopf ausstößt und es längs Bahnen
11 zu einem Aufzeichnungsmedium (nicht gezeigt) durch die
Bildung, das Wachsen und das Zusammenbrechen der Blase 26
vorwärtstreibt.
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Wie es in US-Patent 4, 532, 530 von Hawkins geoffenbart ist,
beginnt die Arbeitsfolge des Blasenstrahlsystems mit einem
elektrischen Impuls durch das Widerstandsheizelement in
einem mit Tinte gefüllten Kanal. Damit der Drucker richtig
arbeitet, muß die von dem Heizelement zu der Tinte
übertragene Wärme eine ausreichende Menge haben, um die Tinte weit
über ihren normalen Siedepunkt hinaus zu überhitzen. Bei
Tinten auf Wasserbasis ist die Temperatur für die
Blasenkeimbildung ungefähr 280ºC. Sobald ein Keim gebildet worden
ist, isoliert die Blase oder der Wasserdampf die Tinte
wärmemäßig von dem Heizelement und keine weitere Wärme kann auf
die Tinte angewendet werden. Die Blase dehnt sich aus, bis
alle in der Tinte gespeicherte, den normalen Siedepunkt
überschreitende Wärme abfließt oder verwendet wird, um
Flüssigkeit in Dampf umzuwandeln. Die Ausdehnung der Blase
26 zwingt ein Tintentröpfchen 12 aus der Düse 14 heraus.
Sobald die übermäßige Wärme entfernt worden ist, bricht die
Blase an dem Heizelement zusammen, wobei eine beträchtliche
Kavitationsspannung erzeugt wird, die einen Spannungsbruch
über die Betriebszeit ergibt. Das Heizelement wird zu diesem
Zeitpunkt nicht länger erwärmt, da der elektrische Impuls
vorbei ist, und gleichzeitig mit dem Blasenzusammenbruch
wird das Tröpfchen bei hoher Geschwindigkeit in Richtung zu
einem Aufzeichnungsmedium vorwärtsgetrieben. Die gesamte
Blasenbildungs/Blasenzusammenbrech-Folge tritt in ungefähr
30 Mikrosekunden auf. Der Kanal kann, um das erneute Füllen
des Kanals zu ermöglichen und damit die dynamischen Faktoren
des erneuten Füllens etwas abgedämpft werden können, nach
100-500 Mikrosekunden minimaler Ruhezeit wieder aktiviert
werden.
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Eine vergrößerte, schematische Querschnittsansicht des
Heizelementes der Fig. 2 ist in Fig. 3 gezeigt, wobei eine
Dampfblase 26 mit unterbrochener Linie dargestellt ist. Die
Heizplatte 15 kann isolierend oder halbleitend sein,
beispielsweise aus Silizium. Wenn die Heizplatte aus Silizium
ist, wird eine isolierende, Unterglasurschicht 27, wie
Siliziumdioxyd oder Siliziumnitrid, auf der Oberfläche 23 vor
dem Bilden der Heizelemente 18 gebildet. Als nächstes wird
eine isolierende Schicht 30, wie beispielsweise
Siliziumnitrid
auf Durchgangsleiterbahnen gebildet, die darin zum
elektrischen Kontakt der nachfolgend gebildeten
Adressierelektroden 17 und der gemeinsamen Rückführleitung 19
vorgesehen sind. Die Passivierungsschicht 28 und die
Dickschicht 40 isolieren die Elektroden und die gemeinsame
Rückleitung gegen die Tinte 32, die üblicherweise eine Tinte
auf Wasserbasis ist. Die Dickschicht 40 wird geätzt, um
Vertiefungen 42 zu schaffen, um die Heizelemente der Tinte
32 auszusetzen. Wie es in US-Patent 4, 638, 337 von Torpey u.
a. geoffenbart ist, vertieft die Vertiefung die
Heizelemente, um erhöhte Tröpfchengeschwindigkeiten ohne Herausblasen
der Blase und des folgenden Einziehens von Luft zu
ermöglichen. Der Meniskus 33 zusammen mit einem etwas negativen
Tintenzuführdruck hält die Tinte davon ab, von den Düsen
abzulaufen. Obgleich das Heizelement irgendein
Widerstandsmaterial 31 umfassen kann, ist dotiertes Polysilizium ein
gängiges Heizelementmaterial und, wenn es verwendet wird,
wird es allgemein von einer Kavitationsschutzschicht 29, wie
Tantal, durch eine isolierende Schicht 30 isoliert. Eine in
unterbrochener Linienführung dargestellte Blase 26 wird bei
der wahlweisen Anwendung eines elektrischen Impulses an die
Widerstandsschicht 31 erzeugt, der ein Tröpfchen ausstößt,
wie es vorhergehend erörtert wurde.
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Fig. 4 ist eine Draufsicht auf die Schicht aus
Widerstandsmaterial 31, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist, wobei die
Adressierelektrode 17 und die gemeinsame Rückführleitung 19 in
unterbrochener Linienführung gezeigt sind. Die Richtung des
Tintenflusses und der Tröpfchenbahn (siehe Fig. 1) ist längs
der Länge L des Widerstandsmaterials, wie es durch den Pfeil
34 angegeben worden ist. Die Leistungsverteilung über die
Weite W des Widerstandsmaterials kann verändert werden,
indem ein ungleichförmiger Widerstand in dem
Widerstandsmaterial eingeführt wird. Da der flächige Widerstand von
Polysilizium verändert werden kann, indem das Dotieren
gesteuert wird oder durch Implantation, ist es möglich, das
Heizelement oder das Widerstandsmaterial darin entweder
physikalisch oder durch Implantation in kleine
Unterabschnitte derart aufzuteilen, daß die kombinierte Wirkung
aller Abschnitte eine gleichförmige Temperatur erzeugt.
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Bei der bevorzugten Ausführungsform sind nur drei Streifen
zur Energieverteilung in dem Widerstandsmaterial
ausreichend, um eine gleichförmige Temperatur über die Weite W der
Oberfläche des Heizelementes bereitzustellen. Zwei gleiche
Randstreifen 35, die durch unterbrochene Linien
gekennzeichnet sind, müssen beträchtlich mehr Leistungsdichte als der
weitere Mittelstreifen 36 tragen. Dies bedeutet, daß der
flächige Widerstandswert des Mittelstreifen 36 größer als
der flächige Widerstandswert in den äußeren,
gegenüberliegenden Randstreifen 35 sein muß. Bei einer
Widerstandsmaterialschicht mit einer Länge (L) von 175 Mikrometern und
einer Weite (W) von 45 Mikrometern wird die
Randstreifenweite (W&sub1;) 5 Mikrometer und die Weite des
Mittelstreifen 36 wird 35 Mikrometer. Diese besondere
Ausgestaltung des Widerstandsmaterials mit einer Dicke von 0, 5
bis 1, 0 Mikrometer verlangt einen flächigen Widerstand für
den Mittelstreifen 36 von 1,5-mal demjenigen des flächigen
Widerstandswertes des Randstreifens 35, so daß die äußeren
Randstreifen 50% mehr Leistungsdichte als der breitere
Mittelstreifen 36 tragen. Dies liefert eine im wesentlichen
gleichförmige Temperatur über die Weite des Heizelementes
bei der Tantal-Schicht 29 und der Tintengrenzschicht 32,
wenn der elektrische Impuls an das Heizelement angelegt
wird.
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Fig. 5 ist eine Kurve der Temperaturverteilung über die
Weite eines typischen Heizelementes nach dem Stand der
Technik an der Tantal-Tintengrenzschicht, wenn das
Heizelement mit einer gleichförmigen Energieverteilung versorgt
wird; das heißt, das Widerstandsmaterial besitzt einen
gleichförmigen, flächigen Widerstand. Eine Kurve der
Schwellentemperatur oder des Profils über die Weite der
Heizelementoberfläche, die an die Tinte angrenzt, in einer
zu dem elektrischen Stromfluß querverlaufenden Richtung, ist
dargestellt, wobei sie klar einen kleinen Bereich bei der
erforderlichen Keimbildungstemperatur zeigt. Um einen
größeren Bereich des Heizelementes bei der Keimbildungstemperatur
von 280ºC vorzusehen, muß die Oberfläche des Heizelementes
auf einen Wert von 20 % oberhalb der Schwellentemperatur
erwärmt werden. Die maximale Temperatur in der Mitte des
Bereiches von 20 % über der Schwelle beträgt ungefähr 358ºC.
Für ein Heizelement mit einem besseren Energiewirkungsgrad
muß die Temperatur minimiert werden. Auch bedeuten niederere
Temperaturen längere Wärmeelementlebensdauern. Fig. 6 ist
eine ähnliche Kurve der Temperaturverteilung über die Weite
des Heizelementes der vorliegenden Erfindung bei der Tantal-
Tinte-Grenzschicht, wenn es mit einer ungleichförmigen
Leistungsverteilung gemäß der Ausgestaltung in Fig. 4 versorgt
wird.
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Der Fig. 6 ist zu entnehmen, daß ein beträchtlich größerer
Abschnitt der Tantaloberfläche auf einer gleichförmigen
Temperatur ist, was ein größeres Tropfenvolumen und eine
größere Geschwindigkeit ergibt, weil ein größerer Bereich
auf der erforderlichen Keimbildungstemperatur von 280ºC ist.
Vergleicht man die Fig. 5 und 6, so ist die Schwellenenergie
etwas mehr als 5 % bei der verteilten Energiesituation, aber
dann ist es nicht erforderlich, eine Überaktivierung von 20
% wie in dem Fall bei den Heizelementen nach dem Stand der
Technik zu haben, wodurch sich eine Einsparung von 5 bis 15
% an Energieverbrauch ergibt. Dieser Vergleich der
Temperaturprofile, die durch Blasen erzeugende Stromimpulse bei
Heizelementen nach dem Stand der Technik und dem Heizelement
der Fig. 4 erzeugt werden, ist in Fig. 7 gezeigt. Ferner
werden alle anderen vorhergehend erwähnten Vorteile
verwirklicht. Somit kann eine kleinere Heizelementgröße das
Tröpfchen Volumen bereitstellen, das gegenwärtig mit größeren
Heizelementen erhalten wird.