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Die Erfindung bezieht sich auf thermische Drop-on-demand-Tintenstrahl-
Druckköpfe (nachstehend Bubble-Jet-Druckköpfe genannt) und
insbesondere auf verbesserte Heizwiderstands- und Elektrodenkonstruktionen, die
dazu beitragen, die Nutzdauer des Druckkopfes zu verlängern.
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Normalerweise sind bei Bubble-Jet-Druckköpfen eine Vielzahl von
Heizwiderständen auf einem Trägersubstrat aufgebracht, das zum Beispiel aus
Metall oder Keramikmaterial besteht und mit einer temperaturregelnden
Oberfläche, zum Beispiel aus SiO&sub2;, versehen ist. Zum selektiven Anlegen
einer Spannung an die Heizwiderstände sind Metallelektroden ausgebildet,
und über den Heizwiderständen und Elektroden ist eine Schutzschicht
aufgebracht. Zwischen den Heizwiderständen und Düsen des Druckkopfes
wird Tinte zugeführt, und die Heizwiderstände werden selektiv
angesprochen und auf eine Temperatur gebracht, bei der die angrenzende Tinte
rasch in Dampf überführt wird, so daß die Tinte durch die Wirkung einer
Schockwelle durch die entsprechende Düse ausgestoßen wird.
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Diese Art des Tintenstrahldruckens wird immer häufiger eingesetzt; ein
wesentliches Problem ist jedoch noch die Bereitstellung von Druckköpfen,
bei denen die Heizwiderstände über eine lange Betriebsdauer hinweg
eingesetzt werden können, und dies insbesondere beim
Hochgeschwindigkeitsdrucken. Denn es ist immer noch ein großes technisches Problem, die
Tröpfchenausstoßeinrichtungen vor physischer und chemischer
Beschädigung zu schützen. Man hat bereits verschiedene Schutzabdeckungen
entwickelt, um die Tinte vom Heizwiderstand und den Elektrodenelementen
des Druckkopfes zu trennen und diese Elemente vor physischer und
elektrolytischer Beschädigung zu schützen. Allerdings wäre es
wünschenswert, die Lebensdauer der Druckköpfe noch weiter zu verbessern
und/oder im Betrieb höhere Druckgeschwindigkeiten mit diesen Einrichtungen
zu ermöglichen.
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Wir haben herausgefunden, daß Betriebsstörungen sehr häufig wegen
Rißbildung in den als Heizwiderstand dienenden Filmen undloder wegen
Ablösung ihrer Schutzschicht(en) auftreten, was elektrolytische Angriffe auf
die Verbundstrukturen einleiten kann.
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US-A-4,339,762 beschreibt das allgemeine Konzept für die Erzeugung eines
gewünschten Temperaturgradienten im mittleren Bereich eines
Heizwiderstandes eines Bubble-Jet-Druckkopfes durch Veränderung des
Querschnitts einer Heizwiderstandsschicht.
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Eine wesentliche Aufgabe der Erfindung besteht darin,
Heizwiderstandselemente und damit zusammenwirkende Erregerelektrodenkonstruktionen für
Bubble-Jet-Druckköpfe bereitzustellen, die die Betriebsdauer der
Druckkopf-Komponente dadurch verlängern, daß sie während der Auslösung des
Tröpfchenausstoßes des Druckkopfes den Temperaturgradienten entlang
des Erregerstrompfades steuern. Ein besonderer Vorteil dieser Erfindung
liegt darin, daß sie die bei steilen Temperaturgradienten vorkommenden
Rißbildungen und Ablösungen an der
Heizwideratand/Elektrodenkonstruktion (und deren Schutzschichten) verhindert. Außerdem gestattet die
Erfindung vorteilhafterweise die Herstellung von Druckköpfen nach
bestimmten Konstruktionsparametern.
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Im Prinzip stellt die Erfindung einen Bubble-Jet-Druckkopf mit
Tintenabgabereichen und Heizelementen bereit, die Heizwiderstandsschichten
sowie diesen jeweils zugeordnete Paare von aus elektrisch leitfähigem
Material bestehenden Ansteuer- und Bezugselektroden aufweisen, die mit
beabstandeten Anschlußbereichen der Heizwiderstandsschichten verbundene
Elektrodenenden umfassen, wobei jedem Heizelement ein
Bläschenerzeugungsbereich zugeordnet ist, dessen Querschnitt von seiner Mitte
ausgehend symmetrisch und über jeden der Anschlußbereiche bis zu den
Randzonen der Bläschenerzeugungsbereiche hin abnimmt, wobei der
Druckkopf dadurch gekennzeichnet ist, daß die Heizwiderstandsschichten
Leitungsverlängerungen umfassen, die sich jeweils von jedem der
Elektrodenenden bis zu den Randzonen der Bläschenerzeugungsbereiche
erstrekken und einen größeren Querschnitt haben als die Heizwiderstandsschicht
in den Randzonen der Bläschenerzeugungsbereiche.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Heizwiderstandsschicht
eine konstante Dicke und eine veränderliche Breite auf, die an der
Verbindungsstelle mit den Elektroden größer, am Anfang des
Bläschenerzeugungsbereichs kleiner und in der Mitte des Bläschenerzeugungsbereichs
wieder größer ist.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigen:
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Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer bekannten Art eines Bubble-
Jet-Druckkopfes, in dem die Erfindung mit Nutzen eingesetzt
werden kann;
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Fig. 2 eine perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht einer
anderen bekannten Art eines Bubble-Jet-Druckkopfes, bei
der die Erfindung mit Nutzen eingesetzt werden kann;
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Fig 3 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht des
Druckkopfes nach Fig. 1;
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Fig. 4 eine vergrößerte schematische Detaildarstellung von
Beispielen bekannter Heizwiderstands/Elektrodenkonstruktionen mit
einem typischen Temperaturprofil, wie es während der
Tröpfchenabgabe auftritt;
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Fig. 5 eine schematische Darstellung ähnlich der der Fig. 4, in der
jedoch die Konstruktionen einer bevorzugten
erfindungsgemäßen Heizelement/Elektrodenausführung mit deren zugehörigen
Betriebstemperaturprofil dargestellt sind;
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Fig. 6 eine perspektivische schematische Darstellung einer anderen
erfindungsgemäßen Ausführungsform der
Heizelement/Elektroden-Konstruktion;
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Fig. 7 bis 10 schematische Darstellungen anderer modifizierter
Ausführungsformen der Erfindung; und
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Fig. 11 einen vergrößerten Teil-Querschnitt eines Druckkopfs, in
dem bestimmte Konstruktionen des Tintenabgabebereichs, die
in Verbindung mit den verschiedenen Ausführungsformen der
Erfindung verwendbar sind, im Detail dargestellt sind.
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Gemäß Fig. 1 umfaßt der bekannte Bubble-Jet-Druckkopf 10 im allgemeinen
ein aus wärmeleitendem Material, zum Beispiel Metall oder Glas,
bestehendes Grundsubstrat 11, auf dem eine temperaturregelnde Schicht 12, zum
Beispiel aus SiO&sub2;, und eine genutete Deckplatte 13 aufgebracht ist, die
eine Vielzahl von Tintenzuführkanälen 14 ausbildet, über die Tinte aus
einem durch eine obere Abschlußkappe 16 gebildeten Tintenvorratsbehälter
15 zugeführt wird. Auf der unteren Fläche des Substrats 11 kann bei
entsprechenden Eigenschaften des betreffenden Substrats ein Kühlbereich 17
vorgesehen sein. Den zwischen den Nuten der oberen Platte 13 und dem
Substrat 11 ausgebildeten Düsen 19 sind eine Vielzahl selektiv
ansteuerbarer elektrothermischer Wandler vorgeschaltet. Diese Wandler umfassen
jeweils einen diskreten Heizwiderstandsbereich 21, bestehend zum Beispiel
aus ZrBr&sub2;, und eine zum Beispiel aus Aluminium bestehende diskrete
Ansteuerelektrode 22. Mit der Kante der einzelnen Heizelemente kann
gegenüber der Ansteuerelektrode eine gemeinsame Eiektrode 23 verbunden
sein. Die Elektroden und Heizelemente können auf der Oberfläche der
Schicht 12 mittels verschiedener Metallabscheidwigstechniken aufgebracht
werden.
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Über den Elektroden und den Heizelementen ist eine Schutzschicht(en),
zum Beispiel aus SiO&sub2;, ausgebildet, durchs die die verschiedenen, in der
vorstehenden Würdigung des Standes der Technik beschriebenen
Anforderungen erfüllt werden sollen. Bei Betätigung wird ein elektrisches
Potential zwischen einer Ansteuerelektrode 22 und der gemeinsamen Elektrode 23
erzeugt, und Strom fließt durch den Heizwiderstand 21. Die vom Element
21 gelieferte Wärme führt dazu, daß die Tinte in der Nähe des
Heizelements verdampft und ein Tintentröpfchen durch die Düse 19 ausgestoßen
wird.
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Fig. 2 zeigt eine andere bekannte Ausführungsform eines Bubble-Jet-
Druckkopfs mit Komponenten ähnlich denen der Ausführungsform nach
Fig. 1, deren Bezugsziffern hier mit einem Index versehen sind. Der
wesentliche Unterschied des bekannten Druckkopfes nach Fig. 2 besteht
darin, daß die obere Platte besondere Komponenten 13', 13" umfaßt, die
im Zusammenwirken Ausstoßkanäle 19' ausbilden, und daß eine Düsenplatte
19" über den Kanälen 19' angeordnet ist. Bei Betätigung fließt Strom
durch das Heizelements 21' zwischen der Ansteuerelektrode und den
gemeinsamen Elektroden 22', 23', und Tinte wird erhitzt, so daß ein
Tröpfchen durch die zugehörige Düse der Platte 19" ausgestoßen wird.
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Fig. 3 zeigt ein Tintenabgabeelement 30 des Druckkopfes nach Fig. 1,
wobei die obere Platte 13 des Druckkopfes und der Behälterdeckel 16
entfernt sind. In Fig. 3 ist zu erkennen, wie Anschlußflächen 28, 29 über
die gemeinsame Flektrode und Ansteuerelektroden 23 und 24 mit den
Widerstands-Heizelementen verbunden sind. Ein vom (nicht dargestellten)
Hauptsteuersystem des Tintenstrahldruckers ausgehender flexibler
Anschluß 31 weist einzelne Anschlußleitungen 22, 33 zur Verbindung mit
den Anschlußflächen 28, 29 auf. Daher ist die Schutzschicht 25 (Fig. 1),
die über den Bereichen der mit der Tinte in Berührung kommenden
Heizelementen und Elektroden erwünscht ist, zumindest über den
Anschlußflächen 28, 29 nicht erwünscht.
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Unter Bezugnahme auf Fig. 4 haben wir festgestellt, daß bei bekannten
Druckköpfen, wie sie zum Beispiel in Fig. 1 bis 3 dargestellt sind, das
Temperaturprofil in x-Richtung entlang des Strompfades durch das
Heizwiderstandselement 21 (zwischen den Elektroden 21 und 23) von den
Elektrodenenden zur Mitte des Heizelements steil ansteigt. So ist aus dem
dargestellten Temperaturprofil G ersichtlich, daß am Ende eines
Energieimpulses zur Angabe eines Tröpfchens das Temperaturprofil steil von einem
Niveau unterhalb der kritischen Temperatur Tc, die zur Erzeugung eines
Dampfbläschens erforderlich ist, im mittleren Bereich des
Widerstandsheizelements auf einen (wesentlich über Tc liegenden) Temperaturspitzenwert
ansteigt. Diese großen Temperaturdifferenzen (d.h.
Temperaturgradienten) im mittleren Bereich des Elements 21 können zu physischen Schäden
führen, da sie in den verschiedenen Bereichen des Materials der Schicht
21 rasche und wiederholte Dehnungs- und Kontraktions-Differenzen
auslösen. Ähnliche Schäden können an Schutzdeckschichten (wie sie zum
Beispiel in Fig. 1 bei 25 dargestellt sind) auftreten, die in engem Kontakt
mit dem Heizelement stehen und daher ähnliche Temperaturgradienten
aufweisen. Risse im Heizelement verursachen ungleichmäßige Stromdichten und
tragen zu weiteren Beschädigungen des Elements bei. Ablösungen der
Schutzdeckschicht begünstigen elektrolytische Angriffe auf das
Heizelement.
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Wir haben herausgefunden, daß Druckkopfausfälle zu einem wesentlichen
Teil mit den vorstehend besprochenen extremen Temperaturgradienten
zusammenhängen und daß ein wichtiger Faktor für die Entstehung eines
solchen Gradienten der Kühleffekt der Ansteuer- und Bezugselektroden
ist. Dies ist nicht ohne weiteres ersichtlich, denn auf den ersten Blick
erscheint ein Bubble-Jet-Heizelement als quadratische oder rechteckige
heiße Platte, in der die erzeugten Wärmeströme zum größten Teil in das
Trägersubstrat und die Tinte fließen. Denn man geht davon aus, daß der
Wärmefluß im wesentlichen senkrecht zur Ebene des Heizwiderstandes
verläuft. Für kleine, im allgemeine eine quadratische Form aufweisende
Heizwiderstände trifft dies jedoch nicht zu, da die mit den Heizwiderständen
verbundenen Elektroden ungefähr 100mal leitfähiger sind als das
Trägersubstrat bzw. die Tinte. Genauer gesagt machen die Seitenflächen des
Heizelements, an das die Elektroden angeschlossen sind, etwa 1/100 der
Hauptfläche des Heizelements aus, wenn der Widerstand eine Größe von
50 um² aufweist. Tatsächlich beträgt das Verhältnis dieser Seitenfläche zur
Haupt-Heizfläche etwa 1/S, wobei S die Länge einer Seite des
quadratischen Heizelements ist. Bei abnehmender Größe des Heizwiderstands nimmt
daher der Verlust zu den Seiten im Verhältnis zum Verlust senkrecht zur
Widerstandsoberfläche im Verhältnis 1/S zu. Diese Beziehung führt dazu,
daß kleinere Heizelemente weniger leistungsfähig sind und daß bei ihnen
außerdem die Mitteltemperaturen die kritische
Bläschenerzeugungstemperatur überschreiten.
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Die Erfindung stellt verbesserte Konstruktionen für Heizelemente und
Elektroden bereit, die für die Verminderung jener Ausfälle von
Tröpfchenerzeugungs-Bauelementen nützlich sind, wie sie bei bekannten
Vorrichtungen
aufgrund des radikalen Temperaturgradienten an einzelnen Stellen
entlang des Strompfades durch das betreffende Heizelement vorkommen. In
Fig. 5 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer Heizelement- und
Elektrodenkonstruktion zur praktischen Realisierung dieser Lösung dargestellt.
Bei dieser Ausführungsform wird eine Widerstandsheizschicht 51 in einer
vorbestimmten Ausbildung auf ein Substrat 52 (oder eine wärmeregelnde
Schicht des betreffenden Substrats) aufgebracht, und auf der Heizschicbt
51 werden Ansteuer- und Bezugselektroden 53, 54 in vorbestimmter Weise
ausgebildet. Im einzelnen definieren die Enden der Elektroden 53, 54 den
Eingang und den Ausgang eines Strompfades durch den zwischen den
Elektrodenenden freiliegenden Bereich der Schicht 51. Außerdem weisen
diese Elektrodenenden einen bestimmten Abstand zum mittleren Bereich Rc
der Widerstandsheizschicht 51 auf, der den Tröpfchenerzeugungsbereich
des Heizelements definiert. Die Widerstandsheizschicht 51 weist also zwei
Endbereiche Re auf, die im wesentlichen als Leitungsverlängerungen von
den Elektroden 53, 54 zu den Begrenzungskanten des
Tröpfchenerzeugungsbereichs Rc dienen. Der Bereich Rc ist in Größe und Anordnung
entsprechend seiner zugehörigen (nicht dargestellten)
Tröpfchenaustrittsöffnung ausgelegt; und wie bei bekannten Vorrichtungen sind die beiden
Elektroden 53, 54 und die Widerstandsheizschicht mit einer (nicht
dargestellten) Schutzdeckschicht versehen.
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In Fig. 5, die die bevorzugte Ausbildung des Heizelements zeigt, ist zu
erkennen, daß die Widerstandsschicht 51 entlang des Strompfades eine
sich verändernde Breitenabmessung aufweist und daß diese insbesondere
von einer relativ großen Breite am Punkt Ww (an der Verbindungsstelle
mit den Elektroden) in eine relativ geringere Breite Wn (zum Beispiel am
Beginn des Tröpfchenerzeugungsbereichs,) und dann wieder in eine relativ
größere Breite Wc (in der Mitte des Tröpfchenerzeugungsbereichs)
übergeht. Bei dieser Ausführungsform weist die Schicht 51 eine konstante Dicke
und einen konstanten spezifischen Widerstand auf, so daß sich die
Querschnittsfläche direkt mit der Breite verändert und der Widerstand der
Schicht 51 sich im umgekehrten Verhältnis zur seitlichen Breite entlang
des Strompfades verändert. Daher ändert sich während der Betätigung
des Heizelements auch die Stromdichte und damit die erzeugte Wärme im
umgekehrten Verhältnis zur Schichtbreite; dies betrifft verschiedene
wichtige
Funktionsmerkmale dieser Bauart. Zum einen steigt die erzeugte
Wärme im Bläschenerzeugungsbereich Rc in Richtung von dessen Mitte zu
dessen Kanten an. Dies wiederum vermindert die mit dem Abwandern von
Wärme in die Elektroden verbundene hohe Temperaturdifferenz und flacht
damit den im Diagramm dargestellten Temperaturgradienten G' ab.
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Außerdem dienen die Leitungsverlängerungsbereiche (Bereiche Re), deren
Querschnitt sich allmählich von Wn nach Ww vergrößert, zur thermischen
Isolierung der Kanten des Bläschenerzeugungsbereichs gegen Wärmeabgabe
an die Elektroden. Ferner weisen auch die Verlängerungen selbst einen
zwischen Ww und Wn ansteigenden Heizgradienten auf Wie auf dem
Diagramm der Fig. 5 zu erkennen ist, ergibt sich aus dem Zusammenwirken
zwischen der Form der Widerstandsschicht und der Anordnung der
Elektrodenenden eine wesentliche Abschwächung des Temperaturgradienten des
Temperaturprofils G'. Diese abgeschwächten Temperaturgradienten führen
ihrerseits zu einer beträchtlichen Verringerung der von der Aktivierung
der Tröpfchenerzeugungseinrichtungen auf die Widerstandsschicht
ausgehenden Dehnungs- und Kontraktionsspannungen.
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Anders ausgedrückt kann man sagen, daß dadurch, daß die Fläche pro
Längeneinheit des Widerstands in dessen Mitte am größten ist und sich in
Richtung von der Mitte weg verringert, in der Mitte des Widerstandes eine
geringere Leistungsdichte vorliegt. Da der Wärmefluß von der Mitte zu
den Leitungen hin am geringsten ist, besteht die Gefahr einer
Überhitzung im mittleren Bereich. Durch Verringerung der Leistungsdichte zur
Mitte hin wird diese Überhitzung ausgeglichen. Die Verringerung der
Leistungsdichte wird durch zwei Mechanismen bewirkt, nämlich (a) durch
Vergrößerung der Fläche und (b) durch Verringerung der Stromdichte.
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In Fig. 6 ist eine andere bevorzugte Ausführungsform unter Verwendung
der erfindungsgemäßen Lösung dargestellt. Auch bei dieser
Ausführungsform weist die Widerstandsschicht 61 zwei Leitungsverlängerungsbereiche
Re auf, die sich von den allgemein mit 63, 64 bezeichneten
Erregerelektroden zu einem zentralen Heizbereich Rc erstrecken. Bei dieser
Ausführungsform wird jedoch die Stromflußdichte durch den Bereich Rc dadurch
verändert, daß die Dicke der Schicht 61 von der Verbindungsstelle der
Schicht mit den Leitungsverlängerungsbereichen zur Mitte des Heizbereichs
hin allmählich ansteigt. Daher weist die Schicht in der Mitte des Bereichs
Rc ihre größte Dicke und damit eine größere Querschnittsfläche, eine
geringere Stromdichte und eine geringere Wärmeerzeugung auf als der
allegemein mit Rc-Re bezeichnete Bereich an der Verbindungsstelle.
Vorzugsweise verläuft die Dickenverringerung von der Mitte zur Verbindungsstelle
Rc-Re symmetrisch (zu den Elektroden 63 und 64) und allmählich, so daß
sich ein Temperaturgradient mäßiger Steigt ergibt. Zusätzlich zu der
temperaturausgleichenden Wirkung, die durch die Verlängerung des
Wärmeableitweges vom Bereich Rc zu den Elektroden, (mit
entgegengesetztem Temperaturgradienten) erzielt wird, verringert die Ausführungsform
gemäß Fig. 6 die thermische Masse der Elektroden. Dies wird beim, Aufbau
gemäß Fig. 6 dadurch bewirkt, daß die Elektroden jeweils Endbereiche 66
in der vollen Breite des Widerstands und Leitungsstreifen 67 geringerer
Breite aufweisen. Der Bereich voller Breite verteilt die Stromdichte über
den gesamten Querschnitt des Bereichs Re der Schicht 61, besitzt jedoch
die geringsmögliche thermische Masse, die erforderlich ist, um diese
Funktion zu erfüllen.
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Die in den Fig. 7 und 8 schematisch dargestellten Ausführungsformen
zeigen, wie erfindungsgemäß eine verringerte Steilheit des
Temperaturgradienten ohne beträchtliche Leitungsverlängerungsbereiche (zum Beispiel Re
in Fig. 4 und 5) bewerkstelligt werden kann. So weist die
Heizwiderstandsschicht 71 in Fig. 7 eine Breite auf, die von Punkten nahe den
Verbindungsstellen mit den Elektroden 73, 74 zur Mitte des
Bläschenerzeugungsbereichs hin direkt ansteigt. Bei dem in Fig. 8 dargestellten
Tröpfchenausstoßelement steigt die Dicke der Heizwiderstandsschicht 81 von
relativ nahe bei den Verbindungsstellen mit den Elektroden 83, 84
gelegenen Punkten zur Mitte des Tröpfchenerzeugungsbereichs hin an.
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Bei der in Fig. 9 dargestellten alternativen Ausführungsform ist die
Heizwiderstandsschicht 91 über Schichten 92, die einen geringeren
spezifisehen Widerstand aufweisen als die Schicht 91, mit Elektroden 93 94
verbunden. Da die erste Widerstandsschicht 91 einen höheren spezifischen
Widerstand aufweist als die zweite Schicht 92, steigt die Temperatur in
der Schicht 92 wesentlich langsamer an als in der Schicht 91. Dadurch,
daß sich zwischen den Elektroden 93, 94 und der Widerstandschicht 91
eine Schicht geringerer Temperatur befindet, verringert sich der
Wärmefluß von der Widerstandsschicht 91 in die Elektroden. Dies trägt dazu bei,
die Steilheit des Temperaturgradienten zu vermindern. Außerdem hebt
diese Bauart die Temperatur des den Mittelbereich des Widerstandes 91
umgebenden Bereichs an, was eine weitere Abflachung des
Temperaturgradienten unterstützt.
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Fig. 10 und 11 zeigen eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die
Steilheit des Temperaturgradienten dadurch verringert wird, daß auf dem
Widerstand 101 eine hoch wärmeleitfähige Schicht aufgebracht wird.
Insbesondere in Fig. 11 ist zu erkennen, daß die Schicht 105 gegenüber den
Elektroden 103, 104 durch eine dielektrische Passivierungsschicht 106
elektrisch isoliert werden und ggfs. durch eine Schicht 107 gegen schädliche
Einflüsse der Tinte abgedeckt werden kann. Die auf die temperaturregelnde
Schicht 108 des Substrats 109 auf gebrachte Heizwiderstandsschicht ist
damit durch Übertragung von Wärme auf die Schicht 105 und anschließende
Ableitung aus dem Bläschenerzeugungsbereich (durch Wärmeleitung) vor
Ausbildung eines zentralen heißen Punktes geschützt.
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Die Erfindung bietet im industriellen Einsatz den Vorteil, daß sie
Rißbildungen und Ablösungen in der Heizelement/Elektroden-Konstruktion (bzw.
deren jeweiligen Abdeckungen), wie sie bei steilen Temperaturgradienten
auftreten, vermindert. Außerdem ist die Erfindung mit Vorteil bei der
Herstellung von Druckköpfen nach speziellen Konstruktionsparametern
einsetzbar.