DE69831442T2

DE69831442T2 - Verfahren zum Ausstossen von Flüssigkeit und Flüssigkeitsausstosskopf

Info

Publication number: DE69831442T2
Application number: DE69831442T
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Ohta-ku Ishinaga; Toshio Ohta-ku Kashino; Aya Ohta-ku Yoshihira; Kiyomitsu Ohta-ku Kudo; Yoichi Ohta-ku Taneya; Satoshi Ohta-ku Shimazu
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1997-06-06
Filing date: 1998-06-05
Publication date: 2006-03-16
Anticipated expiration: 2018-06-06
Also published as: AU6994298A; CA2239640A1; JP3416465B2; EP0882592B1; DE69831442D1; KR19990006714A; CA2239640C; TW372914B; KR100312948B1; US6276783B1; JPH10337870A; EP0882592A3; EP0882592A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausstoßen einer Flüssigkeit und einen Flüssigkeitsausstoßkopf, in welchem zum Beispiel durch Wärme Bläschen erzeugt werden, genauer ausgedrückt, ein Verfahren zum Ausstoßen einer Flüssigkeit und einen mit einer flexiblen Trennmembran ausgerüsteten Flüssigkeitsausstoßkopf, wobei die flexible Trennmembran bei der Bläschenerzeugung verschoben wird.
Der in der Beschreibung der Erfindung verwendete Begriff „Aufzeichnen" gilt nicht nur für das Erzeugen von Bildern wie Figuren und Buchstaben, sondern auch von beliebeigen Mustern auf einem Aufzeichnungsmedium.
STAND DER TECHNIK
Beim sogenannten Bläschenstrahlaufzeichnen, d.h. beim Tintenstrahlaufzeichnen als Version des Bläschenstrahlaufzeichnens wird zum Beispiel Wärmeenergie erzeugt, welche in einer Tinte eine Zustandsänderungsänderung, genauer ausgedrückt eine plötzliche Volumenänderung (Bläschenerzeugung) und somit Ausstoßen der Tinte aus einer Ausstoßöffnung auf ein Aufzeichnungsmedium bewirkt. Aufzeichnungsvorrichtungen, bei welchen das Bläschenstrahlaufzeichnungsverfahren angewendet wird, sind zum Beispiel in den Dokumenten JP-B-61-59911 und JP-B-61-59914 offenbart. Diese Vorrichtungen weisen im allgemeinen eine Ausstoßöffnung zum Ausstoßen von Tinte, einen mit der Ausstoßöffnung verbundenen Flüssigkeitskanal und ein im Flüssigkeitskanal angeordnetes Heizelement (elektrother misches Umwandlungselement) zur Erzeugung der für das Ausstoßen von Tinte erforderlichen Energie auf.
Das genannte Verfahren ermöglicht die Erzeugung von Bildern, auch von Farbbildern mit hoher Auflösung und in hoher Qualität, bei hoher Geschwindigkeit und nur geringem Lärmpegel bei Verwendung der erwähnten Ausstoßköpfe, welche durch die Anordnung der Ausstoßöffnungen in hoher Dichte relativ klein sind. Das Bläschenstrahlaufzeichnungsverfahren wird seit Jahren bei Büromaschinen wie Druckern, Kopierern und Faxgeräten angewendet und findet mehr und mehr industrielle Anwendung wie zum Beispiel bei Druckvorrichtungen.
Da beim herkömmlichen Bläschenstrahlaufzeichnungsverfahren das Heizelement die Tinte wiederholt erhitzt, können auf dessen Oberfläche Tintenpartikel sich absetzen und verkrakken. Wenn die Qualität der auszustoßenden Tinte sich durch die aufgebrachte Wärme verschlechtert oder durch die Direkterwärmung mit einem so belegten Heizelement unzureichend Bläschen erzeugt werden, kann es zu Ausstoßmängeln kommen.
Der Erfinder dieser Neuerung hat im Dokument JP-A-55-81172 ein Verfahren vorgeschlagen, bei welchem eine Ausstoßflüssigkeit und eine Bläschenerzeugungsflüssigkeit verwendet werden, wobei eine flexible Membran die beiden Flüssigkeiten voneinander trennt. Gemäß diesem Verfahren sind die flexible Membran und die Bläschenerzeugungsflüssigkeit in einem Teil einer Düse vorhanden. Dagegen ist im Dokument JP-A-59-26270 ein Kopf offenbart, welchen eine große Membran in einen oberen Abschnitt und einen unteren Abschnitt unterteilt. Die große Membran ermöglicht die Erzeugung eines Flüssigkeitskanals zwischen zwei plattenartigen Elementen und verhindert das Mischen der verwendeten beiden Flüssigkeiten.
Um eine Bläschenerzeugungsflüssigkeit mit einer charakteristischen Bläschenerzeugungseigenschaft verwenden zu können, wurden in den Dokumenten JP-A-05-229122 und JP-A-04-329148 zwei Erfindungen offenbart, wobei gemäß der erstgenannten Erfindung eine Bläschenerzeugungsflüssigkeit mit einem geringeren Siedepunkt als die Ausstoßflüssigkeit, gemäß der zweitgenannten Erfindung eine elektrisch leitende Flüssigkeit als Bläschenerzeugungsflüssigkeit verwendet wird, welche entsprechend dem Stand der Technik bereits verwendet werden.
Das momentan genutzte Flüssigkeitsausstoßverfahren, bei welchem eine Trennmembran verwendet wird, ist noch nicht ausgereift, da die Trennmembran nur die Aufgabe hat, die Ausstoßflüssigkeit von der Bläschenerzeugungsflüssigkeit zu trennen oder eine bessere Bläschenerzeugungsflüssigkeit einsetzen zu können.
Die Erfinder der vorliegenden Neuerung haben eine Untersuchung speziell über das Ausstoßen von Flüssigkeitströpfchen bei Verwendung einer Trennmembran durchgeführt und sind zu der Schlußfolgerung gekommen, daß durch die Alterung der Trennmembran das Ausstoßen von Flüssigkeit durch Bläschenerzeugung mittels Wärme sich verschlechtert und dieses Verfahren bisher praktisch noch nicht genutzt werden konnte.
Deshalb haben die Erfinder erneut untersucht, auf welche Weise mit einer Trennmembran das Flüssigkeitsausstoßen verbessert werden kann.
Das Ergebnis dieser Untersuchungen ist die vorliegende Erfindung, mit welcher ein neuartiges Flüssigkeitsausstoßverfahren und eine entsprechende Vorrichtung dafür bereitgestellt wird, welche effektiveres Ausstoßen von Flüssigkeits tröpfchen mit annähernd gleichem Volumen und mit höherer Geschwindigkeit gewährleisten. Der aus dieser Untersuchung heraus entwickelte Flüssigkeitsausstoßkopf weist einen mit der Ausstoßöffnung verbundenen ersten Flüssigkeitskanal für die Ausstoßflüssigkeit, einen zweiten Flüssigkeitskanal für die Bläschenerzeugungsflüssigkeit, welcher den Bläschenerzeugungsbereich umgibt, und eine diese beiden Flüssigkeitskanäle voneinander trennende flexible Trennmembran auf.
Die Erfinder haben besonders mit dem im Dokument JP-A-05-229122 offenbarten Flüssigkeitsausstoßkopf demonstriert, daß vor der Ausstoßöffnung bereits einer kleiner Leerraum als Bläschenerzeugungsbereich mit der gleichen Länge und Breite wie das Heizelement genügt, um Bläschen zu erzeugen, die flexible Trennmembran vertikal zur Flüssigkeitsausstoßrichtung zu verschieben, die Ausstoßgeschwindigkeit zu erhöhen und die Ausstoßeffizienz zu verbessern. Dabei wird in dem geschlossenen kleinen Leerraum immer wieder die gleiche Bläschenerzeugungsflüssigkeit genutzt.
Mit der vorliegenden Erfindung können die beim Stand der Technik auftretenden Probleme beseitigt werden. Die erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Flüssigkeitsausstoßverfahrens und eines Flüssigleitsausstoßkopfes, bei welchem eine flexible Trennmembran die Ausstoßflüssigkeit von der Bläschenerzeugungsflüssigkeit trennt, wobei durch die Kraft der erzeugten Bläschen die flexible Trennmembran verformt, von dieser der Druck auf die Ausstoßflüssigkeit übertragen und in Richtung Ausstoßöffnung gelenkt, die Druckausbreitung in die entgegengesetzte Richtung aber verhindert wird, so daß daraus eine größere Ausstoßkraft und somit eine höhere Ausstoßeffizienz resultieren.
Die zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Flüssigkeitsausstoßverfahrens und eines Flüssigkeitsausstoßkopfes, bei welchem weniger Ablagerungen auf dem Heizelement entstehen und dadurch die Wärmewirkung auf die Ausstoßflüssigkeit nicht beeinträchtigt wird.
Die dritte Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Flüssigkeitsausstoßverfahrens und eines Flüssigkeitsausstoßkopfes, welcher hinsichtlich Auswahl der Viskosität oder der Zusammensetzung der Ausstoßflüssigkeit eine größere Freiheit läßt.
Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist aber die Bereitstellung eines Flüssigkeitsausstoßkopfes, welcher die bereits genannten Aufgaben erfüllt, aber zusätzlich die Steuerung der Strömungsgeschwindigkeit in dem mit der Ausstoßöffnung verbundenen Flüssigkeitskanal beim Zusammenfallen der Bläschen, der Geschwindigkeitsverteilung und der Richtung der nach dem Ausstoßen der Haupttröpfchen erzeugten Satellitentröpfchen ermöglicht, wobei durch das geringere Volumen der Satellitentröpfchen eine bessere Bildqualität erreicht wird. Hauptaufgabe ist auch die Bereitstellung eines Flüssigkeitsausstoßkopfes, bei welchem der Flüssigkeitsmeniskus weniger zurückgezogen, die Nachströmeigenschaft verbessert und ein Hochfrequenzschwingen verkraftet wird.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Ausstoßen einer Flüssigkeit aus einem Flüssigkeitsausstoßkopf bereitgestellt, wobei der Ausstoßkopf einen mit einer Ausstoßöffnung verbundenen ersten Flüssigkeitskanal, einen zweiten Flüssigkeitskanal mit einem Bläschenerzeugungsbereich und eine die beiden Flüssigkeitskanäle im wesentlichen voneinander trennende flexible Membran hat und das Verfahren aufweist:
Erzeugen eines Bläschens im Bläschenerzeugungsbereich zum Verschieben eines Abschnitts der flexiblen Trennmembran mehr in Richtung Ausstoßöffnung als in die entgegengesetzte Richtung, um die Ausstoßflüssigkeit im ersten Flüssigkeitskanal zur Ausstoßöffnung zu drücken, und
Regulieren der Rückwärtsbewegung des genannten Membranabschnitts zum zweiten Flüssigkeitskanal beim Zusammenfallen des Bläschens im Bläschenerzeugungsbereich mittels eines beweglichen Elements, dessen freies Ende auf die Ausstoßöffnung gerichtet ist,
wobei durch die Elastizität des beweglichen Elements der an der Ausstoßöffnung gebildete Meniskus im wesentlichen symmetrisch zu deren Mittellinie zurückgezogen wird.
Nachfolgend wird beschrieben, auf welche Weise gemäß der vorliegenden Erfindung das erwähnte Verschieben erfolgt. Es muß aber erwähnt werden, daß gemäß der vorliegenden Erfindung das Verschieben auch auf eine andere als die beschriebene Weise erfolgen kann.
Der in der Beschreibung verwendete Begriff „Richtungsregulierung" gilt für die flexible Trennmembran selbst (Elastizitätsverteilung in Kombination mit dem Verformen des glatten Abschnitts und des gefalteten Abschnitts) und für die auf die flexible Trennmembran, den ersten Flüssigkeitskanal oder auf beide wirkenden zusätzlichen Elemente.
Mit „Verschiebungsbereich" oder „Bewegungsbereich" der flexiblen Trennmembran ist der zulässige Verschiebungsbereich gemeint.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Flüssigkeitsausstoßkopf bereitgestellt, welcher aufweist:
Einen mit einer Ausstoßöffnung verbundenen ersten Flüssigkeitskanal,
einen zweiten Flüssigkeitskanal mit einem Bläschenerzeugungsbereich und
eine die beiden Flüssigkeitskanäle im wesentlichen voneinander trennende Membran, wobei die vom Heizelement erzeugte Wärme auf die Bläschenerzeugungsflüssigkeit wirkt, dadurch im Bläschenerzeugungsbereich des zweiten Flüssigkeitskanals Bläschenbildung ausgelöst, der Verschiebungsabschnitt der flexiblen Trennmembran in Richtung erster Flüssigkeitskanal verschoben und durch die Ausstoßöffnung Ausstoßflüssigkeit ausgestoßen wird,
wobei beim Zusammenfallen des Bläschens der verschiebbare Abschnitt der flexiblen Trennmembran in den zweiten Flüssigkeitskanal zurück gelangt,
wobei die erzeugten Bläschen den verschiebbaren Abschnitt der flexiblen Trennmembran mehr in Richtung Ausstoßöffnung als in die entgegengesetzte Richtung in den ersten Flüssigkeitskanal verschieben und
wobei der Flüssigkeitsausstoßkopf ein zusammen mit dem verschiebbaren Abschnitt der flexiblen Trennmembran wirkendes bewegliches Element aufweist, dessen freies Ende auf die Ausstoßöffnung gerichtet ist und sich über den Bläschenerzeugungsbereich erstreckt und welches beim Zusammenfallen des Bläschens durch seine Elastizität den verschiebbaren Abschnitt der Trennmembran in den zweiten Flüssigkeitskanal und den an der Ausstoßöffnung gebildeten Meniskus im wesentlichen symmetrisch zu deren Mittellinie zurückzieht.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das bewegliche Element mindestens an einem Abschnitt der Trennmembran befestigt.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Heizelement zur Erzeugung der für die Bläschenbildung erforderlichen Wärme im Bläschenerzeugungsbereich dem beweglichen Element gegenüber angeordnet.
Bei noch einer weiteren Ausführungsform des Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung wird von den im Bläschenerzeugungsbereich erzeugten Bläschen ein Teil hinter der Mitte des Heizelements erzeugt.
Bei noch einer weiteren Ausführungsform des Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung erstreckt das freie Ende des beweglichen Elements sich über die Mitte des Heizelements in Richtung Ausstoßöffnung.
Bei noch einer weiteren Ausführungsform des Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung hat das bewegliche Element eine plattenähnliche Form.
Bei noch einer weiteren Ausführungsform des Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung ist die flexible Trennmembran aus einem Kunstharz gefertigt.
Bei noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Flüssigkeitsausstoßkopf zwei gemeinsame Flüssigkeitskammern auf, eine erste gemeinsame Flüssigkeitskammer zum Speisen der ersten Flüssigkeitskanäle mit einer Ausstoßflüssigkeit und eine zweite gemeinsame Flüssigkeitskammer zum Speisen der zweiten Flüssigkeitskanäle mit einer Bläschenerzeugungsflüssigkeit.
Bei noch einer weiteren Ausführungsform des Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung unterscheidet die dem ersten Flüssigkeitskanal zuzuführende Flüssigkeit sich von der dem zweiten Flüssigkeitskanal zuzuführenden Flüssigkeit.
Bei noch einer weiteren Ausführungsform des Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung ist die dem zweiten Flüssigkeitskanal zuzuführende Flüssigkeit wenigstens in einer der Eigenschaften wie geringe Viskosität, Bläschenerzeugungsfähigkeit und thermisch Stabilität der dem ersten Flüssigkeitskanal zuzuführenden Flüssigkeit überlegen.
Bei noch einer weiteren Ausführungsform der Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung ist die flexible Trennmembran so angeordnet, daß deren dehnbarer Abschnitt über dem unteren Teil der Ausstoßöffnung liegt und von der mit der Ausstoßöffnung versehenen Platte entfernt sich befindet.
Bei noch einer weiteren Ausführungsform des Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung ist das freie Ende der flexiblen Trennmembran breiter als der zweite Flüssigkeitskanal.
Bei noch einer weiteren Ausführungsform des Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung weist die flexible Trennmembran einen zusammengefalteten Abschnitt auf.
Gemäß dieser Erfindung wird die über dem Bläschenerzeugungsbereich angeordnete flexible Trennmembran zusammen mit dem an dieser befestigten beweglichen Element durch den Druck der erzeugten Bläschen in den ersten Flüssigkeitskanal verschoben und in Richtung Ausstoßöffnung gestreckt und dadurch Ausstoßflüssigkeit mit großer Kraft und effizient aus der Ausstoßöffnung ausgestoßen.
Wenn die flexible Trennmembran den erwähnten zusammengefalteten Abschnitt aufweist, wird dieser durch den Bläschendruck sehr stark in Richtung Ausstoßöffnung verformt.
Beim Zusammenfallen der Bläschen wird durch die Elastizität des beweglichen Elements die flexible Trennmembran schnell in die Ausgangslage zurückgezogen, so daß schnell Flüssigkeit in den ersten Flüssigkeitskanal nachströmt und auch bei hoher Druckgeschwindigkeit stabiles Ausstoßen von Flüssigkeit gewährleistet werden kann.
Durch Befestigen des beweglichen Elements an der Trennwand kann die Menge an Satellitentröpfchen verringert und die Trennmembran durch die Elastizität des beweglichen Elements schnell in die Ausgangslage zurückgezogen werden.
Da mit dem beweglichen Element die Verformung der Trennmembran gesteuert werden kann, wird im ersten Flüssigkeitskanal eine gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung erreicht, dadurch eine gleichmäßige Form des Meniskus beim Zurückziehen erhalten und die Richtung der Satellitentröpfchen stabilisiert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die 1A, 1B, 1C, 1D und 1E zeigen die Längsschnittansicht eines Strömungskanals zum Verstehen des Ausstoßprinzips gemäß einem ersten Beispiel der vorliegenden Erfindung.
Die 2A, 2B, 2C, 2D und 2E zeigen die Längsschnittansicht eines Strömungskanals zum Verstehen des Ausstoßprin zips gemäß einem zweiten Beispiel der vorliegenden Erfindung.
Die 3A, 3B und 3C zeigen die Längsschnittansicht eines Strömungskanals und das Verschieben einer flexiblen Trennmembran beim Ausstoßverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die 4A, 4B, 4C und 4D zeigen schematisch Längsschnittansichten eines Strömungskanals in einem Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt die Längsschnittansicht des in den 4A bis 4D dargestellten Flüssigkeitsausstoßkopfes perspektivisch gesehen.
Die 6A und 6B zeigen die Längsschnittansicht eines Flüssigkeitsausstoßkopfes, wobei in 6A der Kopf mit einer Schutzmembran, in 6B der Kopf ohne Schutzmembran dargestellt ist.
7 zeigt die Wellenform der an ein Heizelement gelegten Spannung.
8 zeigt die Verbindung zwischen einer flexiblen Trennmembran und einem beweglichen Element.
Die 9A, 9B, 9C und 9D zeigen schematisch Längsschnittansichten eines Strömungskanals in einem Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die 10A und 10B zeigen schematisch den Abschnitt um die Ausstoßöffnung eines Flüssigkeitsausstoßkopfes.
Die 11A und 11B zeigen schematisch Längsschnittansichten eines Strömungskanals in einem Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
12 zeigt schematisch den Aufbau des Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung.
13 perspektivisch in Explosivdarstellung ein Beispiel des Aufbaus des Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die 14A, 14B, 14C, 14D, 14E, 14F, 14G und 14H zeigen schematisch die Erezeugung einer flexiblen Trennmembran im Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die 15A und 15B zeigen schematisch den Vorgang in einem Flüssigkeitskanal des Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend werden in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. In der folgenden Beschreibung wird auch auf andere, die vorliegende Erfindung nicht betreffende Beispiele eingegangen. Zuerst wird aber auf zwei die vorliegenden Erfindung betreffende Beispiele näher eingegangen.
Die 1A bis 1E, 2A bis 2E und 3A bis 3C zeigen schematisch Beispiele des Ausstoßens von Flüssigkeit gemäß der vorliegenden Erfindung. Den Endabschnitt eines ersten Flüssigkeitskanals bildet eine Ausstoßöffnung. In Flüssigkeits strömungsrichtung gesehen liegt vor der Ausstoßöffnung des ersten Flüssigkeitskanals der verschiebbare Abschnitt einer flexiblen Trennmembran, welcher von den zum Flüssigkeitsausstoßen erzeugten Bläschen verschoben wird. In einem zweiten Flüssigkeitskanal für eine Bläschenerzeugungsflüssigkeit ist ein Bläschenerzeugungsbereich vorhanden, in welche Bläschenerzeugungsflüssigkeit nachströmt.
Bei diesem Beispiel ist in Strömungsrichtung der Ausstoßflüssigkeit gesehen der Bläschenerzeugungsbereich ebenfalls vor der Ausstoßöffnung angeordnet. Die Trennmembran ist länger als das den Bläschenerzeugungsbereich bildende elektrothermische Umwandlungselement und hat demzufolge einen beweglichen Abschnitt. Der stationäre Abschnitt der Membran (nicht dargestellt) liegt zwischen dem elektrothermischen Umwandlungselement und der gemeinsamen Flüssigkeitskammer zum Speisen der ersten Flüssigkeitskanäle mit Ausstoßflüssigkeit. Die zulässige Bewegung der Trennmembran ist aus den 1A bis 1E, 2A bis 2E und 3A bis 3C ersichtlich. Bei den in diesen Figuren dargestellten Zuständen sind die Dicke und die Elastizität der beweglichen Trennwand oder aus der Konstruktion des Flüssigkeitsausstoßkopfes ableitbare Faktoren berücksichtigt.
(Erstes Demonstrationsbeispiel)
Die 1A bis 1E zeigen ein erstes Demonstrationsbeispiel des Flüssigkeitsausstoßverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei das Verschieben auf dem halben Weg des Flüssigkeitsausstoßens beginnt.
Bei diesem Demonstrationsbeispiel sind ein erster Flüssigkeitskanal 3 und ein zweiter Flüssigkeitskanal 4 vorhanden, wobei der erste Flüssigkeitskanal mit einer Ausstoßöffnung 11 verbunden ist und von einer gemeinsamen Flüssigkeitskam mer 143 mit der ersten Flüssigkeit versorgt wird und der zweite Flüssigkeitskanal 4 mit einer Bläschenerzeugungsflüssigkeit gefüllt ist und das in diesem angeordnete Heizelement 2 die zur Bläschenbildung erforderliche Wärmeenergie erzeugt. Zwischen dem ersten Flüssigkeitskanal 3 und dem zweiten Flüssigkeitskanal 4 ist eine diese beiden Kanäle voneinander trennende flexible Trennmembran 5 angeordnet. Die flexible Trennmembran 5 ist an einer mit Öffnungen versehenen Platte 9 befestigt und verhindert ein Vermischen der beiden Flüssigkeiten.
Die flexible Trennmembran 5 ist frei beweglich und kann von dem im Bläschenerzeugungsbereich 7 erzeugten Bläschen auch in Richtung gemeinsame Flüssigkeitskammer verschoben werden.
Die flexible Trennmembran 5 ist jedoch entsprechend ausgelegt, um von einem erzeugten Bläschen in Richtung Ausstoßöffnung verformt (ausgedehnt, gestreckt usw.) zu werden.
1A zeigt den Ausgangszustand, in welchem die im ersten Flüssigkeitskanal 3 vorhandene Flüssigkeit durch Kapillarwirkung bis dicht an die Ausstoßöffnung 11 gezogen wird. Bei diesem Beispiel liegt in Flüssigkeitsströmungsrichtung gesehen die Ausstoßöffnung 11 hinter dem im zweiten Flüssigkeitskanal 4 angeordneten, auf den ersten Flüssigkeitskanal 3 gerichteten Heizelement 2.
Wenn in diesem Zustand das Heizelement 2 (in diesem Beispiel ein Widerstand mit den Abmessungen 40 μm × 105 μm) mit Strom gespeist wird, erzeugt dieses schnell Wärmeenergie, so daß über dem Bläschenerzeugungsbereich 7 in der Bläschenerzeugungsflüssigkeit Bläschen 6 entstehen (1B). Die Bläschen 6 entstehen durch das im US-Dokument 4,723,129 offenbarte Filmsieden. Mit dem Entstehen dieser Bläschen 6 über die gesamte Fläche des Heizelements wird ein extrem hoher Druck erzeugt. Dieser Druck breitet sich wellenförmig in der im zweiten Flüssigkeitskanal 4 vorhandenen zweiten Flüssigkeit aus, so daß die flexible Trennmembran 5 verschoben wird und das Ausstoßen der im ersten Flüssigkeitskanal 3 vorhandenen ersten Flüssigkeit beginnt.
Die über der gesamten Fläche des Heizelements 2 erzeugten und schnell wachsenden Bläschen 6 vereinen sich (1C). Mit dem weiteren Ausdehnen der Bläschen 6 durch den hohen Druck wird die flexible Trennmembran 5 verschoben und das Ausstoßen von Flüssigkeit durch die Ausstoßöffnung 11 verstärkt.
Mit dem Wachsen der Bläschen 6 wird die flexible Trennmembran 5 weiter gestreckt und deren Abschnitt über dem Heizelement 2 von der Mitte 5C aus in einen vorderen Abschnitt 5A und einen im wesentlichen gleich großen hinteren Abschnitt 5B unterteilt. (1D).
Mit dem weiteren Wachsen der Bläschen 6 wird die flexible Trennmembran 5 im vorderen Abschnitt 5A mehr verformt als im hinteren Abschnitt 5B und dadurch die erste Flüssigkeit im ersten Flüssigkeitskanal 3 direkt in Richtung Ausstoßöffnung 11 gedrückt (1E).
Durch das Verschieben der flexiblen Trennmembran 5 in Richtung Ausstoßöffnung wird die Ausstoßeffizienz weiter verbessert. Da das Zurückdrücken der Ausstoßflüssigkeit in Richtung gemeinsame Flüssigkeitskammer eingeschränkt wird, kann Flüssigkeit leichter zur Ausstoßöffnung, besonders aber in den verschiebbaren Abschnitt der flexiblen Trennmembran 5 nachströmen.
Wenn die flexible Trennmembran 5 selbst in Richtung Ausstoßöffnung verschoben und somit der Übergang von dem in 1D dargestellten Zustand in den in 1E dargestellten Zustand erfolgt, können die Ausstoßeffizienz und die Nachströmeffizienz weiter verbessert werden, so daß im ersten Flüssigkeitskanal 3 im Bereich des Heizelements 2 mehr Ausstoßflüssigkeit verfügbar ist.
(Zweites Demonstrationsbeispiel)
Die 2A bis 2E zeigen ein zweites Demonstrationsbeispiel des Flüssigkeitsausstoßverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei das Verschieben aus dem Ausgangszustand beginnt.
Das zweite Demonstrationsbeispiel ist im Aufbau dem ersten Demonstrationsbeispiel identisch. Bei diesem Demonstrationsbeispiel sind ein erster Flüssigkeitskanal 13 und ein zweiter Flüssigkeitskanal 14 vorhanden, wobei der erste Flüssigkeitskanal 13 mit der Ausstoßöffnung 11 direkt verbunden ist und von der ersten gemeinsamen Flüssigkeitskammer 143 mit der ersten Flüssigkeit versorgt wird und im zweiten Flüssigkeitskanal ein Heizelement 12 angeordnet ist und eine Bläschenerzeugungsflüssigkeit geführt wird, in welcher beim Speisen des Heizelements 12 mit Strom und der dadurch erzeugten Wärme im Bläschenerzeugungsbereich 17 Bläschen entstehen. Zwischen dem ersten Flüssigkeitskanal 13 und dem zweiten Flüssigkeitskanal 14 ist eine flexible Trennmembran 15 angeordnet, welche beide Flüssigkeitskanäle voneinander trennt. Die flexible Trennmembran 15 ist an der mit Öffnungen versehenen Platte 19 befestigt und verhindert ein Vermischen der beiden Flüssigkeiten.
Bei dem in 2A dargestellten Ausgangszustand, welcher dem in 1A dargestellten nahezu entspricht, wird die Flüssigkeit im ersten Flüssigkeitskanal 13 durch Kapillarwirkung zur Ausstoßöffnung 11 gezogen. Beim vorliegenden Beispiel ist in Flüssigkeitsströmungsrichtung gesehen die Ausstoßöffnung 11 hinter dem auf den ersten Flüssigkeitskanal 13 gerichteten Heizelement 12 angeordnet.
Wenn in dem in 2A dargestellten Zustand das Heizelement 12 (Widerstand mit den Abmessungen 40 μm × 115 μm) mit Strom versorgt wird, erwärmt dieses sich sehr schnell, so daß im Bläschenerzeugungsbereich 17 in der Bläschenerzeugungsflüssigkeit Bläschen 16 entstehen (2B). Das Entstehen dieser Bläschen basiert auf dem im US-Dokument 4,723,129 offenbarten Filmsieden. Diese Bläschen entstehen gleichzeitig über der gesamten Fläche des Heizelements und entwickeln einen extrem hohen Druck. Der Druck breitet sich wellenförmig durch die im zweiten Flüssigkeitskanal 14 vorhandene zweite Flüssigkeit aus und wirkt so auf die flexible Trennmembran 15, daß diese sich verschiebt und das Ausstoßen von erster Flüssigkeit im ersten Flüssigkeitskanal 13 initiiert.
Die auf der ganzen Fläche des Heizelements 12 erzeugten Bläschen 16 wachsen sehr schnell und vereinen sich (2C). Mit dem weiteren Wachsen der Bläschen durch den sehr hohen Druck wird die flexible Trennmembran 15 weiter verschoben und dadurch noch mehr erste Flüssigkeit durch die Ausstoßöffnung ausgestoßen. Wie aus 2C hervor geht, wird der vordere Abschnitt 15B des verschiebbaren Abschnitts der Membran mehr als dessen hinterer Abschnitt 15A verschoben und dadurch die im ersten Flüssigkeitskanal 13 vorhandene erste Flüssigkeit bereits von Ausstoßbeginn an effektiv durch die Ausstoßöffnung 11 ausgestoßen.
Mit dem weiteren Wachsen der Bläschen 16 wird das Verschieben der flexiblen Trennmembran aus dem in 2C dargestellten Zustand proportional verstärkt (2D). Da der vordere Abschnitt 15B der flexiblen Trennmembran 15 mehr als deren hinterer Abschnitt 15A verschoben wird, strömt erste Flüssigkeit schneller zur Ausstoßöffnung. Da über den gesamten Ausstoßvorgang der hintere Abschnitt 15A der flexiblen Trennmembran 15 nur wenig verschoben wird, strömt auch nur eine ganz kleine Menge erste Flüssigkeit in Richtung gemeinsame Flüssigkeitskammer.
Somit kann bei diesem Beispiel die Ausstoßeffizienz verbessert, d.h. besonders die Ausstoßgeschwindigkeit erhöht werden und das Nachströmen von Flüssigkeit zur Ausstoßöffnung stabil erfolgen, während eine geringe Menge Flüssigkeit ausgestoßen wird.
Mit dem weiteren Wachsen der Bläschen 16 werden auch der hintere Abschnitt 15B und der mittlere Abschnitt 15C der flexiblen Trennmembran 15 weiter verschoben und in Richtung Ausstoßöffnung gestreckt, um die Ausstoßeffekteffizienz zu verbessern und die Ausstoßgeschwindigkeit zu erhöhen (2E).
Da in diesem Fall der Querschnitt der flexiblen Trennmembran und auch deren Verschiebung und Streckung über die Breite des Flüssigkeitskanals vergrößert werden, wird der Bewegungsbereich der im ersten Flüssigkeitsströmungskanal 13 vorhandenen ersten Flüssigkeit vergrößert und somit die Ausstoßeffizienz synergetisch verbessert. Da zu diesem Zeitpunkt die Verschiebung der flexiblen Trennmembran 15 die Form einer menschlichen Nase hat, wird deren Form auch „Nasenform" genannt. Diese Form entspricht in etwa einem „S", bei welchem der anfänglich vor dem Punkt A liegende Punkt 8 hinter diesen verschoben wird (2E), während bei dem in 1E dargestellten Fall beide Punkte im wesentlichen eine äquivalente Lage haben.
(Demonstrationsbeispiel der Verschiebung der flexiblen Trennmembran)
Die 3A bis 3C zeigen die Längsschnittansicht einer flexiblen Trennmembran und deren Verschiebungsstufen beim Flüssigkeitsausstoßverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung.
Bei der Beschreibung dieses Demonstrationsbeispiel wurde der Schwerpunkt auf das Verschieben der flexiblen Trennmembran gerichtet und in den 3A bis 3C wurde auf die Darstellung der Bläschen, des ersten Flüssigkeitskanals und der Ausstoßöffnung verzichtet. Der über dem Heizelement 22 liegende Bereich des zweiten Flüssigkeitskanals 24 wird als Bläschenerzeugungsbereich 27 angenommen und der zweite Flüssigkeitskanal 24 wird durch die flexible Trennmembran 25 vom ersten Flüssigkeitskanal 23 getrennt, und zwar auch während der Dauer der Membranverschiebung. Die in den 3A bis 3C angedeutete Linie H kennzeichnet das auf die Ausstoßöffnung gerichtete Ende des Heizelements 22 und gilt als Grenzlinie für das Zuführen der ersten Flüssigkeit. Die bei der Beschreibung aller Beispiele verwendeten Begriffe „vor" und „hinter" beziehen sich in Flüssigkeitsströmungsrichtung gesehen auf die Mitte des Membranverschiebungsbereichs.
Bei dem in 3A dargestellten Beispiel wird die flexible Membran 25 aus der Ausgangslage in den Schritten (1), (2) und (3) sequentiell und mehr in Richtung Ausstoßöffnung als in Richtung gemeinsame Flüssigkeitskammer verschoben, dadurch die erste Flüssigkeit im ersten Flüssigkeitskanal 23 zur Ausstoßöffnung gedrückt und somit die Ausstoßgeschwin digkeit erhöht und die Ausstoßeffizienz verbessert. Bei dem in 3A dargestellten Beispiel ist der erwähnte Bewegungsbereich im wesentlichen fixiert.
Bei dem in 3B dargestellten Beispiel wird die flexible Trennmembran 25 ebenfalls in drei Schritten (1), (2) und (3) sequentiell in Richtung Ausstoßöffnung verschoben oder gestreckt, während deren Bewegungsbereich in Richtung gemeinsame Flüssigkeitskammer fixiert ist. Durch die Verschiebung der flexiblen Trennmembran hauptsächlich in Richtung Ausstoßöffnung und das Bläschenwachstum in die gleiche Richtung kann die Ausstoßeffizienz weiter verbessert werden.
Bei dem in 3C dargestellten Beispiel wird die flexible Trennmembran aus dem Ausgangszustand (1) zunächst in den Zustand (2), d.h. mehr in Richtung gemeinsame Flüssigkeitskammer als in Richtung Ausstoßöffnung verschoben. Mit dem weiteren Wachsen der Bläschen in den Schritten (3) und (4) wird die flexible Trennmembran mehr in Richtung Ausstoßöffnung als in Richtung gemeinsame Flüssigkeit verschoben. Dadurch kann auch die im oberen Teil des verschiebbaren Abschnitts vorhandene erste Flüssigkeit in Richtung Ausstoßöffnung gedrückt werden, so daß die Ausstoßeffizienz verbessert und die Flüssigkeitsausstoßmenge vergrößert wird. Da in Schritt (4) ein bestimmter Punkt U der flexiblen Trennmembran 25 weiter als der Punkt D in Richtung Ausstoßöffnung verschoben wird, kann die Ausstoßeffizienz noch weiter verbessert werden. Bei Beendigung des Schritts (4) hat die flexible Trennmembran die erwähnte „Nasenform" erreicht.
Die Flüssigkeitsausstoßverfahren, welche die beschriebenen Schritte beinhalten, sind auf die vorliegende Erfindung anwendbar. Die in den 3A bis 3C dargestellten Komponenten funktionieren nicht immer unabhängig voneinander. Die Schritte, welche solche Komponenten beinhalten, sind ebenfalls auf die vorliegende Erfindung anwendbar. Die Nasenform der Membran kann jedoch nicht nur mit der in 3C dargestellten Konfiguration, sondern auch mit der in den 3A und 3B dargestellten Konfiguration erreicht werden. Bei diesen Konfigurationen spielt die Streckbarkeit keine Rolle, wenn von Anfang an ausreichend freie Beweglichkeit gegeben ist. Die Dicke der flexiblen Trennmembran hat keine Bedeutung.
Der in dieser Spezifikation verwendete Begriff "Parameter zur Richtungssteuerung" bezieht sich wenigsten auf die Konfiguration der flexiblen Trennmembran selbst, auf die Anordnung des Bläschenerzeugungselements in bezug auf die flexible Trennmembran, auf den Strömungswiderstand in der Nähe des Bläschenerzeugungsbereichs, auf die direkt oder indirekt auf die flexible Trennmembran wirkenden Einflußgrößen oder auf die Parameter, welche das Verschieben oder Strecken der flexiblen Trennmembran beeinflussen. Die Ausführungsformen, bei welchen zwei oder mehr dieser Richtungssteuerungsparameter wirken, werden auch in die vorliegende Erfindung einbezogen. Bei den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen erfolgt kein Hinweis auf die Kombination der erwähnten Parameter. Anzumerken ist, daß diese Beispiele die vorliegende Erfindung nicht beschränken.
(Ausführungsform 1)
Die 4A bis 4D zeigen die Längsschnittansicht eines Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Von diesen Figuren zeigt 4A den Zustand vor dem Ausstoßen,
4B den Zustand, in welchem ein erzeugtes Bläschen das größte Volumen erreicht hat,
4C den Zustand bei zusammenfallendem Bläschen und
4D den Zustand, in welchem das Bläschen verschwunden ist.
Bei diesem Flüssigkeitsausstoßkopf werden im Bläschenerzeugungsbereich 30 des zweiten Flüssigkeitskanals 4 von dem auf dem Substrat 1 angeordneten Heizelement (Abmessungen 40 × 105 μm) durch Filmsieden Bläschen erzeugt (4A).
Dieser Bereich und der mit der Ausstoßöffnung 11 verbundene erste Flüssigkeitskanal 3 werden durch die flexible Trennmembran 5 im wesentlichen vollständig voneinander getrennt, so daß ein Vermischen der im ersten Flüssigkeitskanal vorhandenen Flüssigkeit mit der im zweiten Flüssigkeitskanal vorhandenen Flüssigkeit verhindert wird. Entsprechend dem Verwendungszweck können die beiden Flüssigkeiten gleich oder unterschiedlich sein.
Gemäß dieser Erfindung ist dem verschiebbaren Abschnitt der flexiblen Trennmembran 5 gegenüber ein bewegliches Element 26 angeordnet, dessen freies Ende auf die Ausstoßöffnung gerichtet ist und von den im Bläschenerzeugungsbereich 30 erzeugten Bläschen ausgelenkt wird. Das freie Ende des beweglichen Elements sollte sich in Flüssigkeitsströmungsrichtung über die Mitte F des Heizelements 2 hinaus erstrecken.
Wie in 4B dargestellt, hat das vom Heizelement 2 erzeugte Bläschen 40 im wesentlichen das größte Volumen erreicht und das bewegliche Element 26 die flexible Trennmembran 5 gestreckt und deren verschiebbaren Abschnitt in Richtung Ausstoßöffnung gelenkt. Das Strecken und Verschieben der flexiblen Trennmembran in Richtung Ausstoßöffnung wird von dem über die Mitte F des Heizelements 2 sich erstreckenden freien Ende des beweglichen Elements 26 begünstigt, während der verschiebbare Abschnitt der flexiblen Trennmembran 5 im wesentlichen vollständig reguliert werden kann.
Obwohl das erzeugte Bläschen 40 zusammenfällt (4C), werden durch die Elastizität des beweglichen Elements 26, welche das Zusammenziehen der flexiblen Trennmembran 5 beschleunigt, Haupttröpfchen (Flüssigkeitströpfchen) 32 aus der Flüssigkeit im ersten Flüssigkeitskanal 3 getrennt und aus der Ausstoßöffnung 11 ausgestoßen und danach die Menisken 31a und 31b schnell in den Flüssigkeitskanal 3 gezogen. Dabei verlieren die entstandenen Satellitentröpfchen 33 (4D) an Länge und Volumen. Deshalb sind solche Satellitentröpfchen nur selten in den erzeugten Bildern zu finden, so daß scharfe und qualitativ hochwertige Bilder erzeugt werden.
Da kaum Tintennebel entsteht, wird der Druckerinnenraum nicht verschmutzt und zuverlässiges Drucken gewährleistet.
Wie aus 4C hervor geht, sind beim Zurückziehen der Menisken 31a und 31b unterschiedliche Flüssigkeitsströmungsgeschwindigkeiten zu verzeichnen. An dem näher zur flexiblen Trennmembran 5 und unter der Mitte der Ausstoßöffnung 11 liegenden Meniskus 31b ist aufgrund des geringen Strömungswiderstandes die Strömungsgeschwindigkeit möglicherweise höher als am Meniskus 31a.
Das Formgleichgewicht zwischen den beiden Menisken 31a und 31b beeinflußt die Richtung der Satellitentröpfchen 33. Wenn dieses Gleichgewicht stark schwankt, landen die Flüssigkeitströpfchen nicht mit der gewünschten Genauigkeit auf dem Aufzeichnungsmedium. Bei Beeinträchtigung des Gleichgewichts werden die Haupttröpfchen 32 und die Satellitentröpfchen 33 in unterschiedliche Richtungen ausgestoßen, so daß der sogenannte Satellitendruck entsteht, welcher die Bildqualität verschlechtert.
Wenn das bewegliche Element 26 und die flexible Trennmembran 5 eng mit einander verbunden sind, wird durch die Elastizität des beweglichen Elements die Kontraktionsgeschwindigkeit V_B des auf die gemeinsame Flüssigkeitskammer gerichteten Teils des verschiebbaren Abschnitts der flexiblen Trennmembran größer als die Kontraktionsgeschwindigkeit V_A des auf die Ausstoßöffnung gerichteten Teils, d.h. V_A ≤ V_B, so daß eine übermäßige Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit B in der Nähe der flexiblen Trennmembran 5 verhindert und die Strömungsgeschwindigkeit A auf der Seite, auf welcher ein größerer Strömungswiderstand zu verzeichnen ist, steigt. Dadurch werden die beiden Strömungsgeschwindigkeiten A und B gleichzeitig gesteuert. Demzufolge erhalten die beiden Menisken 31a und 31b in bezug auf die Mittellinie E der Ausstoßdüse eine symmetrische Form und die Satellitentröpfchen 33 werden in die gleiche Richtung wie die Haupttröpfchen 32 ausgestoßen.
Außerdem kann durch Erhöhung der Kontraktionsgeschwindigkeit der flexiblen Trennmembran 5 auf der zur gemeinsamen Flüssigkeitskammer gerichteten Seite die Flüssigkeitszufuhr von der gemeinsamen Flüssigkeitskammer effizienter, die Auffülleigenschaft verbessert und die Treibgeschwindigkeit erhöht werden.
5 zeigt den in den 4A bis 4D dargestellten Flüssigkeitsausstoßkopf perspektivisch und in dem Zustand entsprechend 4B. Bei dieser Konstruktion wird das Heizelement 2 in Form eines elektrischen Widerstandes über eine Verdrahtung 34 mit einer Spannung gespeist.
Nachfolgend wird auf das mit dem Heizelement 2 zur Erzeugung von Wärme bestückte Substrat 1 näher eingegangen.
Die 6A und 6B zeigen Längsschnittansichten des Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung. 6A zeigt einen Kopf mit Schutzfilm, welcher nachfolgend beschrieben wird, und 6B einen Kopf ohne eine Antikavitationsschicht als Schutzfilm.
Wie aus den 6A und 6B hervor geht, sind auf dem Substrat 1 ein zweiter Flüssigkeitskanal 4, eine als Trennwand dienende flexible Trennmembran 5, ein bewegliches Element 26, ein erster Flüssigkeitskanal 3 und ein mit einer Nut als ersten Flüssigkeitskanal 3 versehenes Nutelement 50 angeordnet.
Das Substrat 1, genauer ausgedrückt, der Grundkörper 110e aus Silizium zum Beispiel ist mit einem Film 110e aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid als Isolier- und Wärmespeicherfilm, einer elektrischen Widerstandsschicht 110d zum Beispiel aus Hafniumborid (HfB₂), Tantalnitrid (TaN) oder Tantalaluminium (TaAl) mit einer Dicke von 0,01 bis 0,2 μm als Heizelement und mit zwei Verdrahtungselektroden 110c zum Beispiel aus Aluminium mit einer Dicke von 0,2 bis 1,0 μm durch Bemusterung in der genannten Reihenfolge beschichtet. Die elektrische Widerstandsschicht 110d wird über die beiden Verdrahtungselektroden 110c mit einer Spannung gespeist, um Wärme zu erzeugen.
Auf der elektrischen Widerstandsschicht 110d mit den dazu gehörenden Verdrahtungselektroden 110c ist eine 0,1 bis 0,2 μm Schutzschicht 110b zum Beispiel aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid und auf dieser eine 0,1 bis 0,6 μm dicke Antikavitationsschicht 110a zum Beispiel aus Tantal zum Schutz der elektrischen Widerstandsschicht 110d gegen verschiedne Flüssigkeiten wie Tinte aufgetragen.
Ein Metall wie Tantal (Ta) für die Antikavitationsschicht 110a wird gewählt, weil die beim Entstehen und Verschwinden der Bläschen erzeugten sehr starken Druck- und Stoßwellen die Haltbarkeit des starren und spröden Oxidfilms stark verringern.
Bei Verwendung geeigneter Flüssigkeiten, entsprechender Konfiguration der Flüssigkeitskanäle und Verwendung beständiger Werkstoffe kann auf eine Antikavitationsschicht als Schutzschicht verzichtet werden. Ein Beispiel dafür ist der in 6B dargestellte Aufbau des Flüssigkeitsausstoßkopfes.
Als Material für die elektrische Widerstandsschicht kann zum Beispiel auch eine Iridium-Tantal-Aluminium-Legierung gewählt werden, da dieses als Schutzschicht sich nicht eignet. Das Fehlen einer Schutzschicht erweist sich als sehr vorteilhaft, weil die Bläschenerzeugungsflüssigkeit von der Ausstoßflüssigkeit getrennt ist und ihre Bläschenerzeugungseigenschaft behält.
Bei dieser Ausführungsform muß das zwischen den Verdrahtungselektroden 110c angeordnete Heizelement 2 nur als elektrische Widerstandsschicht 110d ausgeführt sein, obwohl zu deren Schutz auch die Schutzschicht 110b aufgetragen werden kann.
Bei dieser Ausführungsform wurde die erste Variante gewählt, bei welcher das Heizelement durch ein elektrisches Signal zum Emittieren von Wärme veranlaßt wird. Diese Erfindung ist aber nicht auf ein so ausgeführtes Heizelement 2 beschränkt, wenn dieses in der Lage ist, die zum Ausstoßen von Ausstoßflüssigkeit erforderlichen Bläschen in der Bläschenerzeugungsflüssigkeit zu erzeugen. Als Heizelement kann auch ein photothermisches Umwandlungselement, welches bei Empfang von Licht in Form eines Laserstrahls Wärme emittiert, oder eine mit einem solchen Umwandlungselement bestückte Heizvorrichtung, welche in hohe Schwingungen versetzt wird und dadurch Wärme erzeugt, verwendet werden.
Das Substrat 1 kann außer dem elektrothermischen Umwandlungselement, welches aus der elektrischen Widerstandsschicht 110d als Heizelement und den Verdrahtungselektroden 110c zum Übertragen eines elektrischen Signals an die elektrische Widerstandsschicht 110d zusammengesetzt ist, mit Funktionalelementen wie Transistoren, Dioden, Sperren und Schieberegistern bestückt sein, welche zum selektiven Ansteuern der elektrothermischen Umwandlungselemente verwendet und bei der Halbleiterfertigung des Substrats in dieses integriert werden.
Zum Ausstoßen von Flüssigkeit wird die auf dem Substrat zwischen den Verdrahtungselektroden vorhandene elektrische Widerstandsschicht 110d als Heizelement mit einem elektrischen Impuls in Rechteckform gespeist und erzeugt sofort Wärme.
7 zeigt die Form des elektrischen Impulses, mit welchem die in den 6A und 6B dargestellte elektrische Widerstandsschicht als Heizelement 2 gespeist wird.
Bei dieser Ausführungsform des Kopfes wird das Heizelement durch ein elektrisches Signal mit einer Frequenz von 6 kHz, einer Spannung von 24 Volt, einer Impulsbreite von 7 μs und einer Stromstärke von 150 mA angesteuert, um eine als Ausstoßflüssigkeit verwendete Tinte aus den Ausstoßöffnungen auszustoßen. Gemäß der vorliegenden Erfindung stellen die genannten Parameter des Steuersignals keine Beschränkung dar, müssen jedoch entsprechend ausgewählt werden, um in der Bläschenerzeugungsflüssigkeit die gewünschten Bläschen erzeugen zu können.
Bei dieser Ausführungsform sind die flexible Trennmembran 5 und das bewegliche Element 26 so konfiguriert, daß diese beim Zusammenziehen der Bläschen 40 sich schnell aneinander legen. Ein Beispiel dafür zeigt 8, welche 4D entspricht. Bei diesem Beispiel ist die flexible Trennmembran 5 am Abschnitt 26a des beweglichen Elements 26 befestigt. Durch die Steifigkeit des beweglichen Elements 26 wird ein Absenken der flexiblen Trennmembran 5 in den zweiten Flüssigkeitskanal beim Zusammenfallen der Bläschen 40 verhindert.
Dadurch kann die Richtungsgenauigkeit der Satellitentröpfchen gewährleistet, deren Volumen verringert, das Nachströmen von Flüssigkeit gesichert und zusätzliches Zurückziehen der Menisken verhindert werden.
(Ausführungsform 2)
Die 9A bis 9D, 10A und 10B zeigen Längsschnittansichten eines Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welchem die Flüssigkeitsströmungsrichtung reguliert wird.
Ähnlich wie beim ersten Beispiel zeigt 9A den Ausgangszustand, während in den 9B bis 9D der Ablauf des Flüssigkeitsausstoßens dargestellt ist.
Bei der ersten Ausführungsform liegt der vordere Teil der flexiblen Trennmembran 5 unterhalb der Ausstoßöffnung 11, berührt eine mit Ausstoßöffnungen versehne Platte 51 oder ist ziemlich nahe an dieser angeordnet. Bei der vorliegenden Ausführungsform liegt im Ausgangszustand ein Teil des verschiebbaren Abschnitts der flexiblen Trennmembran 5 im Bereich H entlang der Mittellinie E der Ausstoßöffnung 11, der restliche Teil entspricht jenem bei der ersten Ausführungsform.
Im Gegensatz zum Kopf gemäß der ersten Ausführungsform wird bei diesem Kopf während des Auslenkens des beweglichen Elements in dem weiter von der flexiblen Trennmembran 5 entfernten Abschnitt der Strömungswiderstand im Flüssigkeitskanal verringert, dadurch die Strömungsgeschwindigkeit B größer und die Strömungsgeschwindigkeit A sehr hoch, so daß ein Ausgleich zwischen den beiden Strömungsgeschwindigkeiten A und B eintritt. Somit können in bezug auf die Mittellinie E der Ausstoßöffnung 11 die beiden Menisken 31a und 31b symmetrische Form annehmen und die Haupttröpfchen 32 sowie die Satellitentröpfchen 33 in die gleiche Richtung aus der Ausstoßöffnung austreten.
Wie aus 10A hervor geht, schließt der projizierte Bereich der Ausstoßöffnung 11 entlang deren Mittellinie E den projizierten Bereich 1 der Flüssigkeitskanalöffnung ein. Selbst wenn wie in 10B dargestellt die Mittellinie E der Ausstoßöffnung 11 zum Flüssigkeitskanal geneigt ist, trifft die vorliegende Erfindung darauf zu, sofern in Flüssigkeitsströmungsrichtung gesehen die Ausstoßöffnung 11 hinter dem verschiebbaren Abschnitt der flexiblen Trennmembran 5 liegt.
(Ausführungsform 3)
Die 11A und 11B zeigen Längsschnittansichten des Flüssigkeitskanals eines Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Von diesen beiden Figuren zeigt 11A die Vertikalschnittansicht, 11B die Horizontalschnittansicht.
Der in den 11A und 11B dargestellte Flüssigkeitskanal unterscheidet sich von dem der ersten Ausführungsform nur darin, daß das freie Ende 26b des beweglichen Elements 26 breiter als der zweite Flüssigkeitskanal 4 und die flexible Trennmembran 5 am freien Ende 26a befestigt ist. Alle anderen Details entsprechen denen der ersten Ausführungsform.
Bei dem so konfigurierten Flüssigkeitsausstoßkopf wird beim Zusammenfallen der Bläschen (nicht dargestellt) ein Hineinziehen des beweglichen Elements 26 und somit auch der flexiblen Trennmembran 5 in den zweiten Flüssigkeitskanal 4 durch das freie Ende 26b des beweglichen Elements 26 verhindert.
Dadurch kann auch ein noch weiteres Zurückziehen der Menisken in den ersten Flüssigkeitskanal 3 unterdrückt und das Nachströmen von Flüssigkeit in der gewünschten Zeit gewährleistet werden.
Das freie Ende 26b kann aber auch so konfiguriert werden, daß dieses ein teilweises Absinken des beweglichen Elements 26 in den zweiten Flüssigkeitskanal 4 zuläßt.
Nachfolgend wird ein Flüssigkeitsausstoßkopf mit zwei gemeinsamen Flüssigkeitskammern beschrieben, bei welchem die in den beiden Flüssigkeitskammern gespeicherten Flüssigkei ten vollkommen voneinander getrennt sind, ohne daß zusätzliche Elemente benötigt werden und Kosten anfallen.
12 zeigt schematisch einen solchen Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Komponenten dieses Kopfes, welche jenen der in den 1 bis 11 dargestellten Köpfe entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, so daß auf eine erneute Beschreibung verzichtet wird.
Das bei diesem Kopf mit dem Bezugszeichen 50 gekennzeichnete Nutelement weist eine mit Ausstoßöffnungen versehene Platte 51, mehrere die ersten Flüssigkeitskanäle 3 definierende Nuten und eine Ausnehmung 48 als erste gemeinsame Flüssigkeitskammer zur Versorgung der ersten Flüssigkeitskanäle mit einer Ausstoßflüssigkeit auf.
Die ersten Flüssigkeitskanäle 3 werden mit dem Befestigen einer flexiblen Trennmembran 5 an der Unterseite des Nutelements 50 erzeugt. Das Nutelement 50 ist außerdem mit einem von deren Oberseite bis in die erste gemeinsame Flüssigkeitskammer 48 führenden ersten Flüssigkeitszuführkanal 20 und einem ebenfalls von der Oberseite nach unten führenden, die flexible Trennmembran 5 durchdringenden zweiten Flüssigkeitszuführkanal 21 versehen.
Das freie Ende des an der Oberseite der flexiblen Trennmembran 5 befestigte bewegliche Element 26 ist auf die Ausstoßöffnung gerichtet, erstreckt sich bis über die Mitte des Heizelements 2 und somit über die Mitte des Bläschenerzeugungsbereichs 30.
Wie aus 12 hervor geht, wird die erste Flüssigkeit (Ausstoßflüssigkeit) in Pfeilrichtung C durch den ersten Flüssigkeitszuführkanal 20 und die erste gemeinsame Flüssigkeitskammer 48 dem ersten Flüssigkeitskanal 3, die zweite Flüssigkeit (Bläschenerzeugungsflüssigkeit) in Pfeilrichtung D durch den zweiten Flüssigkeitszuführkanal 21 und die zweite gemeinsame Flüssigkeitskammer 49 dem zweiten Flüssigkeitskanal 4 zugeführt.
Bei dieser Ausführungsform sind die beiden Flüssigkeitszuführkanäle 20 und 21 parallel zueinander angeordnet, können sich aber auch anders zueinander erstrecken, sofern der zweite Flüssigkeitszuführkanal 21 außerhalb der ersten gemeinsamen Flüssigkeitskammer 48 die flexible Trennmembran 5 durchdringt und zur zweiten gemeinsamen Flüssigkeitskammer 49 Verbindung hat.
Der Durchmesser des zweiten Flüssigkeitszuführkanals 21 ist abhängig von der zuzuführenden Menge an zweiter Flüssigkeit. Der zweite Flüssigkeitszuführkanal 21 muß nicht unbedingt einen kreisförmigen Querschnitt haben, sondern kann zum Beispiel auch rechteckig sein.
Die zweite gemeinsame Flüssigkeitskammer 49 kann durch entsprechende Unterteilung des Nuteelements 50 und Anordnung der flexiblen Trennmembran 5 erzeugt werden. Die zweite gemeinsame Flüssigkeitskammer 49 und der zweite Flüssigkeitskanal 4 können durch einen auf das Substrat 1 aufgebrachten Film und durch die am Nutelement 50 befestigte flexible Trennmembran 5 erzeugt werden.
13 zeigt in perspektivischer Darstellung einen Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß der vorliegenden Erfindung.
Auf dem von einem Stützelement 70 aus Metall wie Aluminium gestützten Substrat 1 sind zahlreiche elektrothermische Um wandlungselemente als Heizelemente 2 angeordnet, welche die zur Bläschenbildung in der Bläschenerzeugungsflüssigkeit durch Filmsieden erforderliche Wärme erzeugen.
Das Substrat 1 ist außerdem mit zahlreichen Nuten und einer Ausnehmung versehen, welche zusammen mit der flexiblen Trennmembran 5 und dem an dieser befestigten beweglichen Element 26 die zweiten Flüssigkeitskanäle 4 bilden bzw. die zweite gemeinsame Flüssigkeitskammer 49 (für die Bläschenerzeugungsflüssigkeit) bildet.
Das Nutelement 50 ist mit Nuten, einer Ausnehmung und zwei Kanälen versehen, wobei einer der beiden Kanäle den ersten Flüssigkeitszuführkanal 20 zum Speisen der ersten gemeinsamen Flüssigkeitskammer 48 mit Ausstoßflüssigkeit, der andere den zweiten Flüssigkeitszuführkanal 21 zum Speisen der zweiten gemeinsamen Flüssigkeitskammer mit Bläschenerzeugungsflüssigkeit bildet, und wobei zusammen mit der flexiblen Trennmembran 5 die Nuten die ersten Flüssigkeitskanäle 3 bilden und die Ausnehmung die erste gemeinsame Flüssigkeitskammer 48 (für die Ausstoßflüssigkeit) bildet. Der zweite Flüssigkeitszuführkanal 21 erstreckt sich außerhalb der ersten gemeinsamen Flüssigkeitskammer 48 durch die flexible Trennmembran 5 in die zweite gemeinsame Flüssigkeitskammer 49, so daß die Bläschenerzeugungsflüssigkeit und die Ausstoßflüssigkeit sich nicht miteinander mischen können.
Das Substrat 1, die flexible Trennmembran 5 mit dem daran befestigten beweglichen Element 26 und das Nutelement 50 sind so zueinander ausgerichtet, daß das bewegliche Element 26 zum Heizelement 2 auf dem Substrat 1 und der erste Flüssigkeitskanal 3 zum beweglichen Element 26 entsprechend positioniert ist. Bei dieser Ausführungsform ist das Nutelement 50 nur mit einem zweiten Flüssigkeitszuführkanal 21 versehen, in Abhängigkeit von der zuzuführenden Flüssigkeitsmenge können aber auch mehrere zweite Flüssigkeitszuführkanäle vorgesehen werden. Der Querschnitt des ersten Flüssigkeitszuführkanals 20 und der des zweiten Flüssigkeitszuführkanals 21 können proportional zu den zuzuführenden Flüssigkeitsmengen ausgelegt werden. Durch Optimierung dieser Querschnitte kann das Nutelement 50 entsprechend klein ausgeführt werden.
Bei dieser Ausführungsform kann die Anzahl an Komponenten verringert und die Fertigungszeit verkürzt werden, weil der zweite Flüssigkeitszuführkanal 21 zum Speisen der zweiten Flüssigkeitskanäle 4 mit der zweiten Flüssigkeit und der erste Flüssigkeitszuführkanal 20 zum Speisen der ersten Flüssigkeitskanäle 3 mit der ersten Flüssigkeit in die als Nutelement 50 dienende Deckplatte eingebracht werden, so daß dadurch die Kosten sinken.
Die zweite Flüssigkeit wird der mit den zweiten Flüssigkeitskanälen 4 verbundenen zweiten gemeinsamen Flüssigkeitskammer 49 durch den die flexible Trennwand 5 durchdringenden zweiten Flüssigkeitszuführkanal zugeführt. Deshalb kann das Befestigen der flexiblen Trennmembran 5 am Nutelement 50 und das Befestigen des Nutelements 50 an dem mit den Heizelementen 2 bestückten Substrat 1 auf einfache Weise und präzise gleichzeitig durchgeführt werden, so daß genaues Flüssigkeitsausstoßen gewährleistet wird. Die zweite Flüssigkeit wird durch die flexible Trennmembran 5 der zweiten gemeinsamen Flüssigkeitskammer 49 und von dieser den zweiten Flüssigkeitskanälen 4 zugeführt und dadurch sicheres Ausstoßen von Flüssigkeit gewährleistet.
Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Flüssigkeitsausstoßkopf wird bei diesem erfindungsgemäßen Flüssigkeitsausstoßkopf durch die flexible Trennmembran 5 mit dem daran befestigten beweglichen Element die Flüssigkeit mit einer großen Kraft und mit hoher Geschwindigkeit effizient ausgestoßen.
Als Bläschenerzeugungsflüssigkeit kann zum Beispiel Methanol, Äthanol, n-Propanol, Isopropanol, n-Hexan, n-Heptan, n-Oktan, Toluol, Xylol, Methylendichlorid, Triclen, Freon TF, Freon BF, Äthyläther, Dioxan, Zyklohexan, Methylazetat, Äthylazetat, Azeton, Methyläthylketon, Wasser oder ein Gemisch aus diesen Verbindungen verwendet werden.
Als Ausstoßflüssigkeit kann eine Flüssigkeit verwendet werden, welche keine Bläschenerzeugungseigenschaft und thermische Eigenschaft haben muß. Mit anderen Worten, als Ausstoßflüssigkeit kann eine Flüssigkeit mit schlechter Bläschenerzeugungseigenschaft, eine durch Wärme schnell alternde Flüssigkeit oder eine bei einem herkömmlichen Flüssigkeitsausstoßkopf bisher noch nicht eingesetzte stark viskose Flüssigkeit verwendet werden.
Die Ausstoßflüssigkeit sollte eine Qualität haben, welche sich gut ausstoßen läßt, durch die Bläschenerzeugung, die flexible Trennmembran, das bewegliche Element oder die Bläschenerzeugungsflüssigkeit aber nicht beeinflußt wird.
Als Ausstoßflüssigkeit zum Aufzeichnen kann eine stark viskose Tinte verwendet werden.
Wärmeempfindliche pharmazeutische Flüssigkeiten und Parfüme können ebenfalls verwendet werden.

Nachfolgend sind einige der zum Aufzeichnen verwendeten Ausstoßflüssigkeiten und Bläschenerzeugungsflüssigkeiten in Kombination aufgelistet. Wie aus dieser Auflistung hervor geht, können zur Erzeugung qualitativ hochwertiger Bilder auch Flüssigkeiten mit einer Viskosität von einigen zehn Poise bis zu 150 cp ausgestoßen werden, was bei einem herkömmlichen Flüssigkeitsausstoßkopf nicht möglich ist. Bläschenerzeugungsflüssigkeit 1

Äthanol	40 Gew. %
Wasser	60 Gew. %

Bläschenerzeugungsflüssigkeit 2

Wasser

100 Gew. %

Bläschenerzeugungsflüssigkeit 3

Isopropylalkohol	10 Gew. %
Wasser	90 Gew. %

Ausstoßflüssigkeit 1

Ruß	5 Gew. %
(Pigmenttinte etwa 15 cp) Styrol-Akrylsäure-Äthylakrylatkopolymerdispersion (Oxidation 140, durchschnittliches Molekulargewicht 800)	1 Gew. %
Monoäthanolam	0,25 Gew. %
Glyzerin	6,9 Gew. %
Thiodiglykol	5 Gew. %
Äthanol	3 Gew. %
Wasser	16,75 Gew. %

Ausstoßflüssigkeit 2 (55 cp)

Polyäthylenglykol 200

100 Gew. %

Ausstoßflüssigkeit 3

Polyäthylenglykol 600

100 Gew. %.

Diese Flüssigkeiten ließen sich bisher nur sehr schwer ausstoßen, wobei die geringe Ausstoßgeschwindigkeit Richtungsänderungen beim Ausstoßen der Tröpfchen und beim Auftreffen dieser auf einem Aufzeichnungsmedium und Instabilität der Ausstoßmenge verursachte, so daß qualitativ hochwertige Bilder kaum erzeugt werden konnten. Bei dieser Ausführungsform können aber durch die Verwendung einer Bläschenerzeugungsflüssigkeit Bläschen stabil erzeugt werden. Das führt zu einer hohen Auftreffgenauigkeit der Flüssigkeitströpfchen und zu stabilen Ausstoßmengen, so daß qualitativ hochwertige Bilder erzeugt werden können.
Nachfolgend wird die Fertigung des Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß dieser Erfindung beschrieben.
Zuerst wird auf dem Substrat eine Wand für den zweiten Flüssigkeitskanal erzeugt, danach die flexible Trennmembran mit dem an diese geklebtem beweglichen Element und schließlich das Nutelement auf dem Substrat befestigt. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die flexible Trennmembran mit dem an diese geklebtem beweglichen Element am Nutelement und dieses dann auf dem Substrat mit der auf diesem erzeugten Wand für den zweiten Flüssigkeitskanal zu befestigen.
Auf die Erzeugung des zweiten Flüssigkeitskanals wird nachfolgend näher eingegangen.
Zuerst wird auf dem nach einem Halbleiterherstellungsverfahren gefertigten Substrat (Siliziumwafer) das mit einem Heizelement aus Hafniumborid oder Tantalnitrid bestückte elektrothermische Umwandlungselement geformt und danach das Substrat gereinigt, um dessen Oberfläche zum Beschichten mit einem lichtempfindlichen Harz vorzubereiten. Die Behandlung des Substrats zur Verbesserung der Haftfähigkeit des Harz film erfolgte mit ultraviolettem Licht und Ozon. Auf die so behandelte Oberfläche wurde durch Spinbeschichten eine Lösung aus einem mit Äthylalkohol in einer Konzentration von 1 Gew. % verdünnten Silan-Haftmittel („A189", hergestellt von Nihon Unica K.K.) aufgetragen.
Danach wird die behandelte Fläche gereinigt und mit einem gegen UV-Strahlen empfindlichen Harzfilm („Trockenfilm Odil SY-318", hergestellt von Tokyo Ohka K.K) beschichtet, um die Haftfähigkeit des Substrats zu verbessern.
Dann wird auf den Trockenfilm DF eine Maske gelegt und dieser mit UV-Licht bestrahlt, um die Wand für den zweiten Flüssigkeitskanal zu erhalten. Das Bestrahlen erfolgt mit einem Gerät „MPA-600" von der Canon Inc. mit einer Bestrahlungsintensität von etwa 600m mJ/cm².
Danach wird der Trockenfilm DF mit einem Entwickler („BMRC-3" von Tokyo Ohka K.K.), einem Gemisch aus Xylol und zellöslichem Butylazetat entwickelt, um die nicht belichteten Abschnitte aufzulösen und die belichteten gehärteten Abschnitte als Wände der zweiten Flüssigkeitskanäle 4 zu erhalten. Der auf der Oberfläche des Substrats 1 verbliebene Rest wird 90 Sekunden lang mit einem Plasma-Veraschungsgerät („MAS-800" von der Arukantec Inc.) behandelt und dabei beseitigt. Danach wird das Substrat 2 Stunden lang mit UV-Licht bei einer Bestrahlungsdichte von 100 mJ/cm² und einer Temperatur von 150 °C bestrahlt, um die belichteten Abschnitte vollständig auszuhärten.
Die zweiten Flüssigkeitskanäle können gleichmäßig und präzise auf mehreren aus einem Siliziumwafer geschnittenen Heizleiterplatten (Substraten) erzeugt werden. Das Trennen des Siliziumwafers in die einzelnen Heizleiterplatten 1 erfolgt auf einer mit einem 0,05 mm dicken Diamantblatt bestückten Würfelschneidmaschine („AWD-400" von Tokyo Seimitsu K.K.). Die einzelnen Heizleiterplatten 1 werden mit einem Kleber („SE4400" von der Toray Industries, Inc.) auf einer Aluminiumgrundplatte befestigt.
Danach werden die Heizleiterplatten mit Aluminiumdraht mit einem Durchmesser von 0,05 mm an das bereits auf der Aluminiumgrundplatte befestigte Substrat angeschlossen.
Anschließend werden die Nutelemente mit den daran befestigten flexiblen Trennmembranen zu den Heizleiterplatten ausgerichtet am Substrat befestigt. Danach werden Elemente zum Zuführen der Bläschenerzeugungsflüssigkeit an den Aluminiumgrundplatten befestigt. Die Spalte zwischen den Aluminiumdrähten und die zwischen dem Nutelement, den Heizleiterplatten und den Flüssigkeitszuführelementen werden mit einem Silikondichtmittel („TSE 399" von Toshiba Silicone K.K.) abgedichtet.
Die auf die beschriebene Weise erzeugten zweiten Flüssigkeitskanäle können mit hoher Präzision ohne Abweichungen von den erwähnten Heizleitern der Heizleiterplatten erhalten werden. Wenn die flexiblen Trennmembrane vorher an den Nutelementen befestigt werden, sind auch die ersten Flüssigkeitskanäle präzise zu den beweglichen Elementen ausgerichtet. Diese Fertigungsart gewährleistet stabiles Flüssigkeitsausstoßen und verbessert die Druckqualität. Die gemeinsame Erzeugen der Komponenten auf einem Wafer führt zu einer Kostensenkung bei der Herstellung der Flüssigkeitsausstoßköpfe.
Bei dieser Ausführungsform wird zur Erzeugung der zweiten Flüssigkeitskanäle ein durch UV-Licht aushärtender Trocken film verwendet. Die Erzeugung der zweiten Flüssigkeitskanäle kann aber auch mit Kunstharz mit einem Absorptionsband nahe dem UV-Bereich, d.h. von 248 nm erfolgen. In diesem Fall wird das Kunstharz aufgetragen und anschließend ausgehärtet und danach mit einem Excimerlaser das Material an den für die zweiten Flüssigkeitskanäle vorgesehenen Stellen entfernt.
Nachfolgend wird die Erzeugung der flexiblen Trennmembran mit daran befestigtem beweglichen Element beschrieben.
Die einzelnen Schritte der Herstellung der flexiblen Trennmembran in einem Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß der vorliegenden Erfindung sind in den 14A bis 14H schematisch dargestellt.
Zuerst wird auf einen spiegelartigen Siliziumwafer 35 ein Formtrennmittel aufgetragen (14A). Dann wird durch Spinbeschichten ein flüssiges Polyimidharz in einer Dicke von etwa 3 μm aufgebracht, um die flexible Trennmembran zu erzeugen (14B).
Auf diesen Film wird durch Sprühen ein 0,1 μm dicker Metallfilm 36 aufgetragen (14C). Dieser dünne Metallfilm wird mit einem etwa 5 μm dicken Film 37 überzogen (14D). Schließlich wird darauf mit einem Resist ein Muster 38 erzeugt (14F).
Danach wird durch Ätzen der metallische Teil zwischen dem Muster 38 und anschließend das Resist 38 entfernt (14F bzw. 14G).
Zuletzt wird der Verbund aus der flexiblen Trennmembran und dem beweglichen Element vom Siliziumwafer 35 abgeschält (14H).
(Vierte Ausführungsform)
Die 15A und 15B zeigen schematisch die Längsschnittansicht des Flüssigkeitskanals in einem Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß der vorliegenden Erfindung. 15A zeigt den Ausgangszustand und 15B den Flüssigkeitsausstoßvorgang.
Die flexible Trennmembran 28 ist vorn und hinten zusammengefaltet, gekennzeichnet durch die Bezugszeichen 28b und 28a. Diese Falten ermöglichen beim Wachsen der Bläschen 40 effektives Verformen der flexiblen Trennmembran 28. Mit dem Verformen der flexiblen Trennmembran 28 wird das bewegliche Element 26 weit in den ersten Flüssigkeitskanal 3 ausgelenkt und dadurch die Ausstoßkraft vergrößert. Die Falten 28a und 28b wirken sich nicht richtungsbegrenzend aus, sondern werden beim Wachsen der Bläschen aufgezogen, damit die flexible Trennmembran in Richtung Ausstoßöffnung verschoben werden kann. Der restliche Aufbau dieses Kopfes entspricht dem des Kopfes der ersten Ausführungsform. Bei dieser Ausführungsform muß die Membrane nicht elastisch sein, da diese durch die Falten dehnbar ist.
Die bei dieser Ausführungsform verwendete flexible Trennmembran 28 hat wie die bei der ersten Ausführungsform verwendete Membran eine gleichmäßige Dicke.
Das bewegliche Element 26 aus Nickel wird durch Elektroschmelzen erzeugt. Zuerst wird auf ein SUS-Substrat ein Resist in einer Dicke von 5 μm aufgetragen und dieses dann zu einem kammähnlichen Muster geformt, um die der Anzahl an Flüssigkeitskanälen entsprechende Anzahl an beweglichen Elementen zu erhaltenden.
Auf das SUS-Substrat wird eine 3 μm dicke Nickelschicht galvanisch aufgetragen. Dafür wird eine Lösung verwendet, welche Nickelsulfonat, ein Entspannungsmittel („Zeroall" von World Metal K.K.), Borsäure, ein Antipittingbildungsmittel („NP-APS" von World Metal K.K.) und Nickelchlorid enthält. Die in die 50 °C warme Lösung getauchte bemusterte SUS-Substrat wird an die Kathode der Spannungsquelle angeschlossen und über die Anode wird ein elektrisches Feld mit einer konstanten Stromdichte von 5 A/cm² erzeugt.
Nach dem Galvanisieren wird das SUS-Substrat Ultraschallschwingungen ausgesetzt, um die Nickelschicht zu entfernen und daraus die beweglichen Elemente zu erhalten.
Auf einem Siliziumwafer wird nach einem Halbleiterherstellungsverfahren eine Heizleiterplatte mit darauf angeordneten elektrothermischen Umwandlungselementen erzeugt. Wie bei der ersten Ausführungsform wird auf dem Wafer vorher ein Trockenfilm zur Erzeugung der zweiten Flüssigkeitskanäle aufgetragen. Danach wird der Wafer auf einer Würfelschneidmaschine in einzelne Heizleiterplatten getrennt.
Das auf einer Aluminiumgrundplatte befestigte gedruckte Substrat wird mit einer Heizleiterplatte bestückt und diese an eine Verdrahtung aus Aluminium angeschlossen. Danach wird die flexible Trennmembran 28 an die Heizleiterplatte und das auf die beschriebene Weise erzeugte bewegliche Element 26 zum Heizelement 2 ausgerichtet an die Membran geklebt. An dieser Einheit wird mittels Haltefedern das Nutelement befestigt.
Bei dieser Ausführungsform ist das bewegliche Element aus Nickel gefertigt, jedoch können gemäß der vorliegenden Erfindung auch andere Werkstoffe dafür verwendet werden, sofern diese die erforderliche Elastizität aufweisen.
Zu diesen Werkstoffen zählen Metalle wie Silber, Nickel, Gold, Eisen, Titan, Aluminium, Platin, Tantal, nichtrostender Stahl, beständige Phosphorbronze und Legierungen daraus, Kunstharze wie Akrylonitril, Butadien und Styrol mit einer Nitril-Gruppe, Kunstharze wie Polyamide mit einer Amid-Gruppe, Kunstharze wie Polykarbonat mit einer Karboxylgruppe, Kunstharze wie Polyazetal mit einer Aldehyd-Gruppe, Kunstharze wie Polysulfone mit einer Sulfon-Gruppe, andere Kunstharze wie Flüssigkristallpolymere und Verbindungen daraus, Metalle wie Gold, Wolfram, Tantal, Nickel, nichtrostender Stahl, Titan mit hoher Tintenbeständigkeit, Legierungen aus diesen Metallen, Materialien, welche mit einem dieser tintenbeständigen Metalle oder mit einer Legierung aus diesen beschichtet sind, Kunstharze wie Polyamide mit einer Amid-Grueppe, Kunstharze wie Polyazetale mit einer Aldehyd-Gruppe, Kunstharze wie Polyätherätherketone mit einer Keton-Gruppe, Kunstharze wie Polyimide mit einer Imid-Gruppe, Kunstharze wie Phenolharze mit einer Hydroxyl-Gruppe, Kunstharze wie Polyäthylene mit einer Äthyl-Gruppe, Kunstharze wie Epoxydharze mit einer Epoxyd-Gruppe, Kunstharze wie Melaminharze mit einer Amino-Gruppe, Kunstharze wie Xylenharze mit einer Methyl-Gruppe und Verbindungen aus diesen, Keramik wie Siliziumdioxid und Verbindungen daraus, um einige Beispiele zu nennen.
Die flexiblen Trennmembrane werden aus neu entwickelten Plasten für Konstruktionszwecke, wie zum Beispiel Polyäthylen, Polypropylen, Polyamid, Polyäthylenterephthalat, Melaminharze, Phenolharze, Polybutadien, Polyuräthan, Polyätheräther keton, Polyäthersulfone, Polyakrylat, Silikongummi, Polysulfone mit ausgezeichneter Wärmebeständigkeit, Lösungsmittelbeständigkeit, Formbarkeit und Elastizität, welche sich auch zur Erzeugung dünner Filme eignen, und aus Plastverbindungen sowie aus den bereits erwähnten Polyimiden gefertigt.
Die Dicke der flexiblen Trennmembran 28 ist abhängig von deren Form, vom verwendeten Material, von der Festigkeit, der Dehnbarkeit und Komprimierbarkeit. Die bevorzugte Membrandicke liegt im Bereich von 0,5 bis 10 μm.
Die vorliegende Erfindung bietet die nachfolgend beschriebenen Effekte, welche bei der zuletzt erläuterten Ausführungsform auch bei fehlender Elastizität erreicht werden, und zwar durch die an einer bestimmten Stelle vorgesehenen Falten 28a.
Es muß nicht besonders betont werden, daß die vorliegende Erfindung aufgrund des Wirkungsprinzips auf Flüssigkeitsausstoßköpfe jeder Art anwendbar ist, wenn bei diesen die Ausstoßöffnung der Heizelementfläche gegenüber angeordnet ist.

(1) Die verwendete Flüssigkeit kann mit einer großen Kraft durch die Ausstoßöffnung ausgestoßen werden.
(2) Auch bei einer hohen Druckgeschwindigkeit erfolgt das Ausstoßen und Nachströmen von Flüssigkeit stabil.
(3) Auch bei Verwendung einer hitzeempfindlichen Ausstoßflüssigkeit kann die Menge an Ablagerungen auf dem Heizelement verringert werden, so daß eine große Auswahlmöglichkeit besteht.
(4) Die Menge an Satellitentröpfchen kann verringert und die Druckqualität verbessert werden.
(5) Durch Vereinheitlichung der Form der Menisken und Richtungsstabilisierung der Satellitentröpfchen kann die Bildqualität weiter verbessert werden.

Claims

Verfahren zum Ausstoßen einer Flüssigkeit aus einem Flüssigkeitsausstoßkopf, welcher einen mit einer Ausstoßöffnung (11) verbundenen ersten Flüssigkeitskanal (3), einen zweiten Flüssigkeitskanal (4) mit einem Bläschenerzeugungsbereich (30) und eine den ersten Flüssigkeitskanal (3) im wesentlichen vom zweiten Flüssigkeitskanal (4) trennende flexible Trennmembran (5) aufweist, wobei das Verfahren selbst aufweist: Erzeugung eines Bläschens im Bläschenerzeugungsbereich (30) zwecks Verschiebens des verschiebbaren Abschnitts der Trennmembran (5) im ersten Flüssigkeitskanal (3) mehr in Richtung Ausstoßöffnung als in entgegengesetzte Richtung, um Ausstoßflüssigkeit aus dem ersten Flüssigkeitskanal (3) durch die Ausstoßöffnung (11) auszustoßen, und Regulieren des Zurückbewegens des verschiebbaren Abschnitts der Trennmembran (5) in den zweiten Flüssigkeitskanal (4) durch ein bewegliches Element (26) beim Zusammenfallen des Bläschens im Bläschenerzeugungsbereich (30), wobei durch die Elastizität des beweglichen Elements (26) der an der Ausstoßöffnung (11) gebildete Meniskus im wesentlichen symmetrisch zur Mittellinie der Ausstoßöffnung (11) zurückgezogen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei wenigstens ein Teil des verschiebbaren Abschnitts der Trennmembran (5) im Aus gangszustand im wesentlichen im Projektionsbereich (H) der Ausstoßöffnung (11) entlang deren Mittellinie (E) liegt.
Flüssigkeitsausstoßkopf, welcher aufweist: einen ersten Flüssigkeitskanal (3), welcher mit der Ausstoßöffnung (11) verbunden ist, einen zweiten Flüssigkeitskanal (4) mit einem Bläschenerzeugungsbereich (30) und eine Trennmembran (5), welche den ersten Flüssigkeitskanal (3) im wesentlichen vom zweiten Flüssigkeitskanal (4) trennt, wobei die vom Energie erzeugenden Element erzeugte Energie auf die im zweiten Flüssigkeitskanal (4) vorhandene Flüssigkeit übertragen, dadurch im Bläschenerzeugungsbereich (30) ein Bläschen erzeugt, von diesem der verschiebbare Abschnitt der Trennmembran (5) in den ersten Flüssigkeitskanal (3) verschoben und dabei aus dem ersten Flüssigkeitskanal (3) Ausstoßflüssigkeit durch die Ausstoßöffnung (11) ausgestoßen wird und wobei beim Zusammenfallen des Bläschens der verschiebbare Abschnitt der Trennmembran (5) in den zweiten Flüssigkeitskanal (4) zurück gelangt, wobei durch die Bläschenerzeugung im Bläschenerzeugungsbereich (30) der verschiebbare Abschnitt der Trennmembran (5) mehr in Richtung Ausstoßöffnung als in die entgegengensetzte Richtung im ersten Flüssigkeitskanal (3) verschoben wird und wobei der Flüssigkeitsausstoßkopf ein bewegliches Element (26) aufweist, welches zusammen mit dem verschiebbaren Abschnitt der Trennmembran (5) wirkt, ein über die Trennmembran (5) dem Bläschenerzeugungsbereich (30) gegenüber sich erstreckendes und auf die Ausstoßöffnung (11) gerichtetes freies Ende hat und elastisch ist, um beim Zusammenfallen des Bläschens im Bläschenerzeugungsbereich (30) den verschiebbaren Abschnitt der Trennmembran (5) reguliert in den zweiten Flüssigkeitskanal (4) und gleichzeitig den an der Ausstoßöffnung (11) gebildeten Meniskus im wesentlichen sym metrisch zu deren Mittellinie in den ersten Flüssigkeitskanal (3) zurückzuziehen.
Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß Anspruch 3, wobei wenigstens ein Teil des beweglichen Elements (26) an der Trennmembran (5) befestigt ist.
Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß Anspruch 3 oder 4, wobei das Energie erzeugende Element ein nahe dem Bläschenerzeugungsbereich (30) und dem beweglichen Element (26) gegenüber angeordnetes Heizelement (2) ist.
Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß Anspruch 5, wobei das Heizelement (2) so angeordnet ist, daß von den im Bläschenerzeugungsbereich (30) erzeugten Bläschen ein Teil hinter der Mitte des Heizelements (2) erzeugt wird.
Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß Anspruch 5 oder 6, wobei das freie Ende des beweglichen Elements (26) von der Mitte des Heizelements (2) aus sich in Richtung Ausstoßöffnung erstreckt.
Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei das bewegliche Element Plattenform hat.
Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei die Trennmembran (5) aus Kunstharz gefertigt ist.
Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß einem der Ansprüche 3 bis 9, welcher außerdem eine erste gemeinsame Flüssigkeitskammer (143) zum Speichern einer Flüssigkeit für die ersten Flüssigkeitskanäle (3) und eine zweite gemeinsame Flüssigkeitskammer (144) zum Speichern einer Flüssigkeit für die zweiten Flüssigkeitskanäle (4) aufweist.
Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß Anspruch 10, wobei die in der ersten gemeinsamen Flüssigkeitskammer (143) gespeicherte Flüssigkeit sich von der in der zweiten gemeinsamen Flüssigkeitskammer (144) gespeicherten Flüssigkeit unterscheidet.
Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß Anspruch 11, wobei die den zweiten Flüssigkeitskanälen zuzuführende Flüssigkeit wenigstens eine der nachfolgend genannten Eigenschaften wie geringe Viskosität, Bläschenerzeugungsfähigkeit und thermische Stabilität aufweist.
Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß einem der Ansprüche 3 bis 12, wobei die Trennmembran (5) so angeordnet ist, daß deren vorderer verlängerter Abschnitt über dem unteren Teil der Ausstoßöffnung (11) und von der mit Ausstoßöffnungen (11) versehenen Platte (51) entfernt sich befindet.
Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß einem der Ansprüche 4 bis 13, wobei ein Abschnitt am freien Ende des beweglichen Elements (26) breiter ist als der Flüssigkeitskanal.
Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß einem der Ansprüche 3 bis 14, wobei die Trennmembran (5) einen zusammengefalteten Abschnitt aufweist.
Tintenstrahlaufzeichnungsgerät, welches einen Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß einem der Ansprüche 3 bis 15 aufweist.