PT2089229E

PT2089229E - Conjunto de bico de jacto de tinta tendo um actuador de deflexão térmica com uma viga activa definindo uma parte substancial do tecto da câmara de bico

Info

Publication number: PT2089229E
Application number: PT06827989T
Authority: PT
Inventors: Gregory John Mcavoy; Misty Bagnat; Vincent Patrick Lawlor; Emma Rose Kerr; Kia Silverbrook
Original assignee: Zamtec Ltd
Priority date: 2006-12-04
Filing date: 2006-12-04
Publication date: 2012-11-20
Also published as: EP2089229A1; JP2010511527A; DK2089229T3; TWI468301B; EP2089229A4; JP4933629B2; ES2393305T3; PL2089229T3; KR20090095562A; KR101030152B1; WO2008067581A1; SI2089229T1; CY1113795T1; EP2089229B1; TW200824914A

Description

DESCRIÇÃO

Conjunto de bico de jacto de tinta tendo um actuador de deflexão térmica com uma viga activa definindo uma parte substancial do tecto da câmara de bico

Campo do invento

Este invento refere-se a actuadores de deflexão térmica. Foi desenvolvido principalmente para proporcionar melhores bicos de jacto de tinta que ejectam tinta através de uma actuação de deflexão térmica.

Enquadramento do invento 0 presente requerente descreveu previamente uma pletora de bicos de jacto de tinta com tecnologia MEMS (Micro Electromechanical System - sistema micro-electromecânico) usando actuadores de deflexão térmica. A actuação por deflexão térmica significa, geralmente, movimento de deflexão gerado pela dilatação térmica de um material, tendo uma corrente que o atravessa, relativamente a outro material. 0 movimento de deflexão resultante pode ser usado para ejectar tinta de uma abertura de bico, normalmente através de uma aleta ou palheta, que criam uma onda de pressão numa câmara de bico. A patente US n° 6,416,167 do requerente descreve um bico de jacto de tinta tendo uma aleta colocada numa câmara de bico e um actuador de deflexão térmica colocado fora da câmara de bico. 0 actuador tem a forma de uma viga activa inferior de material condutor (por exemplo nitrato de titânio) unido por fusão a uma viga passiva superior de material não condutor (por 1 exemplo dióxido de silício). 0 actuador está ligado à aleta através de um braço recebido através de um rasgo na parede da câmara de bico. Com a passagem de uma corrente através da viga activa inferior, o actuador dobra para cima e, consequentemente, a aleta desloca-se na direcção de uma abertura de bico definida num tecto da câmara de bico, ejectando desta forma uma gotícula de tinta. Uma vantagem desta concepção é a sua simplicidade de construção. Uma desvantagem desta concepção é que ambas as faces da aleta trabalham contra a tinta relativamente viscosa dentro da câmara de bico. A patente US n° 6,260,953 do requerente (alocada ao presente requerente) descreve um bico de jacto de tinta no qual o actuador forma uma parte de tecto móvel da câmara de bico. O actuador assume a forma de um núcleo em serpentina de material condutor encaixado num material polimérico. Após actuação, o actuador dobra na direcção de um chão da câmara de bico, aumentando a pressão dentro da câmara e forçando uma gotícula de tinta de uma abertura de bico definida no tecto da câmara. A abertura de bico está definida numa parte não móvel do tecto. Uma vantagem desta concepção é que apenas uma face da parte de tecto móvel tem de trabalhar contra a tinta relativamente viscosa dentro da câmara de bico. Uma desvantagem desta concepção é que a construção do actuador a partir de um elemento condutor em serpentina encaixado no material polimérico é difícil de conseguir num processo MEMS. A patente US n° 6,623,101 do requerente descreve um bico de jacto de tinta compreendendo uma câmara de bico com uma parte de tecto móvel tendo uma abertura de bico aí definida. A parte de tecto móvel está ligada através de um braço a um actuador de deflexão térmica colocado externamente à câmara de bico. O actuador assume a forma de um viga activa superior 2 afastada de uma viga passiva inferior. Afastando as vigas activa e passiva, maximiza-se a eficiência de deflexão térmica, uma vez que a viga passiva não pode actuar como um dissipador de calor para a viga activa. Com a passagem de uma corrente através da viga superior activa, a parte de tecto móvel, tendo a abertura de bico ai definida, é obrigada a rodar na direcção de um chão da câmara de bico, ejectando desta forma através da abertura de bico. Uma vez que a abertura de bico se desloca com a parte de tecto, a direcção de voo da gota pode ser controlada por modificação adequada da forma do rebordo do bico. Uma vantagem desta concepção é que apenas uma face da parte de tecto móvel tem de trabalhar contra a tinta relativamente viscosa dentro da câmara de bico. Uma outra vantagem são as perdas térmicas mínimas conseguidas pelo afastamento dos elementos de viga activa e passiva. 0 pedido dos EUA n° 2005/243131 do requerente, já publicado, descreve um conjunto de jacto de tinta compreendendo uma câmara de bico tendo um tecto móvel. O tecto móvel é engatado com uma pluralidade de actuadores de deflexão térmica, colocados externamente à câmara de bico, que forçam o tecto móvel na direcção de um chão da câmara de bico após actuação.

Existe a necessidade de melhorar a concepção dos bicos do jacto de tinta de deflexão térmica, para se conseguir uma ejecção de gota mais eficiente e uma melhor robustez mecânica.

Resumo o invento

Assim, o presente invento proporciona um conjunto de bico de jacto de tinta tal como está detalhada na reivindicação 1. O invento também se refere a uma cabeça de impressão de jacto de tinta ou a um circuito integrado de cabeça de impressão de 3 jacto de tinta, tal como está detalhado na reivindicação 15. As formas de realização vantajosas estão descritas nas reivindicações dependentes.

Breve descrição dos desenhos a figura 1 é uma vista lateral esquemática de um actuador de deflexão térmica de duas camadas compreendendo uma viga activa feita numa liga de alumínio - vanádio; as figuras 2(A)-(C) são vistas laterais esquemáticas em corte de um conjunto de bico de jacto de tinta compreendendo um actuador de deflexão térmica ligado por fusão em várias fases de operação; a figura 3 é uma vista em perspectiva do conjunto de bico ilustrado na figura 2(A); a figura 4 é uma vista em perspectiva de parte de um circuito integrado de cabeça de impressão compreendendo uma série de conjunto de bico, tal como está ilustrado nas figuras 2(A) e 3; a figura 5 é uma vista em perspectiva cortada de um conjunto de bico de jacto de tinta compreendendo um actuador de deflexão térmica afastado e uma estrutura de tecto móvel; a figura 6 é uma vista em perspectiva cortada do conjunto de bico de jacto de tinta ilustrado na figura 5 numa configuração actuada; a figura 7 é uma vista em perspectiva cortada do conjunto de bico de jacto de tinta ilustrado na figura 5 imediatamente após o fim da actuação; a figura 8 é uma vista lateral em corte do conjunto de bico ilustrado na figura 6; 4 a figura 9 é uma vista lateral em corte de um conjunto de bico de jacto de tinta compreendendo um tecto tendo uma parte móvel definida por um actuador de deflexão térmica; a figura 10 é uma vista em perspectiva cortada do conjunto de bico ilustrado na figura 9; a figura 11 é uma vista em perspectiva do conjunto de bico ilustrado na figura 10, a figura 12 é uma vista em perspectiva cortada de uma série de conjuntos de bico ilustrados na figura 10, a figura 13 é uma vista lateral em corte de um conjunto de bico de jacto de tinta alternativo compreendendo um tecto tendo uma parte móvel definida por um actuador de deflexão térmica; a figura 14 é uma vista em perspectiva cortada do conjunto de bico ilustrado na figura 13; a figura 15 é uma vista em perspectiva do conjunto de bico ilustrado na figura 13; a figura 16 é uma vista lateral esguemática de um actuador de deflexão térmica de três camadas compreendendo um viga de isolamento colocada em sanduíche feita em material poroso; e a figura 17 é uma vista lateral esguemática de um actuador de deflexão térmica compreendendo uma viga passiva feita em material poroso;.

Descrição detalhada do invento

Elemento activo termoelástico feito em liga de alumínio

Tipicamente, um actuador de deflexão térmica MEMS (ou actuador termoelástico) compreende um par de elementos na forma 5 de um elemento activo e de um elemento passivo, que restringem a dilatação linear do elemento activo. 0 elemento activo é obrigado a sofrer uma maior dilatação termoelástica relativamente ao elemento passivo, proporcionando desta forma um movimento de deflexão. Os elementos podem ser unidos por fusão ou ligados em conjunto para uma integridade estrutural máxima, ou podem estar afastados para minimizar perdas térmicas do elemento passivo.

Até agora descreveu-se o nitrato de titânio como sendo um candidato adequado para um elemento termoelástico activo num actuador de deflexão térmica (ver, por exemplo, US 6,416,167). Outros materiais adequados descritos, por exemplo, na patente US n° 6,428,133 são o TÍB2, MoSi, e TiAIN.

Em termos da sua elevada dilatação térmica e baixa densidade, o alumínio é um forte candidato a ser utilizado como um elemento termoelástico activo. No entanto, o alumínio sofre de um módulo de elasticidade relativamente baixo, o que diminui a sua eficiência termoeléctrica global. Assim, o alumínio tinha sido descartado anteriormente como um material adequado para utilização como elemento termoelástico activo.

No entanto, descobriu-se agora que as ligas de alumínio são excelentes materiais para utilização como elementos activos termoelásticos, uma vez que combinam as propriedades vantajosas de elevada dilatação térmica, baixa densidade e elevado módulo de elasticidade.

Normalmente, o alumínio é ligado com pelo menos um metal tendo um módulo de elasticidade superior a 100 GPa. Normalmente, o alumínio é ligado com pelo menos um metal escolhido de entre o grupo compreendendo vanádio, manganês, crómio, cobalto e níquel. Surpreendentemente, descobriu-se que 6 as excelentes propriedades de dilatação térmica do alumínio não ficam comprometidas quando se liga com tais metais.

Opcionalmente, a liga compreende pelo menos 60%, opcionalmente pelo menos 70%, opcionalmente pelo menos 80%, ou opcionalmente pelo menos 90% de alumínio. A figura 1 mostra um actuador de deflexão térmica bimorfo 200 na forma de um viga em consola 201 fixo a um pilar 202. A viga em consola 201 compreende uma viga activa inferior 210 ligada a uma viga passiva superior 220 em dióxido de silício. As eficiências termoelásticas do actuador 200 foram comparadas com vigas activas constituídas por: (i) 100% de Al; (ii) 95% de AI / 5% de V; e (iii) 90% de Al / 10% de V.

As eficiências termoelásticas foram comparadas estimulando a viga activa 210 com um curto impulso eléctrico e medindo a energia necessária para estabelecer uma velocidade oscilatória de pico de 3 m/s, determinada por um interferómetro a laser. Os resultados estão ilustrados na tabela abaixo:

Material da viga activa Energia necessária para atingir a velocidade oscilatória de pico 100% de Al 466 nJ 95% de Al/5% de V 224 nJ 90% de Al/10% de V 219 nJ

Assim, a liga de 95% de Al/5% de V exigiu 2,08 vezes menos energia do que o dispositivo comparável em 100% de Al. Além disso, a liga de 90% de Al/10% de V exigiu 2,12 vezes menos energia do que o dispositivo comparável em 100% de Al. Concluiu-se, por isso, que as ligas de alumínio são excelentes candidatas à utilização como elementos termoelásticos numa gama 7 de aplicações MEMS, incluindo actuadores de deflexão térmica para bicos de jacto de tinta.

Bicos de jacto de tinta compreendendo um actuador de deflexão térmica

Segue-se agora uma descrição de bicos de jacto de tinta típicos que podem incorporar um actuador de deflexão térmica tendo um elemento activo feito em liga de alumínio.

Conjunto de bico compreendendo um actuador de deflexão térmica ligado por fusão

Começando nas figuras 2 (A) e 3, estas mostram ilustrações esquemáticas de um conjunto de bico 100 de acordo com uma primeira forma de realização. O conjunto de bico 100 é formado por processos MEMS numa camada de passivação 2 feita num substracto de silício 3, tal como está descrito na US 6,416,167. O conjunto de bico 100 compreende uma câmara de bico 1 tendo um tecto 4 e parede lateral 5. A câmara de bico 1 é cheia com tinta 6 por meio de um canal de entrada de tinta 7 aberto por ataque químico através do substracto 3. A câmara de bico 1 inclui ainda uma abertura de bico 8 para ejecção de tinta da câmara de bico. Um menisco de tinta 20 é preso através de um rebordo 21 da abertura de bico 8, tal como está ilustrado na figura 2(A).

O conjunto de bico 100 compreende ainda uma aleta 9, colocada dentro da câmara 1, que está interligada através de um braço 11 a um actuador 10 colocado externamente à câmara de bico. Tal como está ilustrado mais claramente na figura 2, o braço estende-se através de um rasgo 12 na câmara de bico 1. A 8 tensão superficial da tinta dentro do rasgo 12 é suficiente para proporcionar um vedante fluidico para a tinta contida na câmara de bico 1. 0 actuador 10 compreende uma pluralidade de unidades de actuador alongadas 13, que estão afastadas transversalmente. Cada unidade de actuador estende-se entre um pilar fixo 14, que está montado na camada de passivação 2, e o braço 11. Assim, o pilar 14 proporciona um ponto de articulação para o movimento de deflexão do actuador 10.

Cada unidade actuadora 13 compreende uma primeira viga activa 15 e uma segunda viga passiva 16 ligadas por fusão a uma face superior da viga activa. A viga activa 15 é condutora e está ligada a circuitos de comando numa camada CMOS (silício de óxido metálico complementar) do substracto 3. A viga passiva 16 é tipicamente não condutora.

Com referência à figura 2 (B), quando a corrente passa através da viga activa 15, é aquecido e sofre dilatação térmica relativamente à viga passiva 16. Isto provoca o movimento de deflexão para cima do actuador 10, que é ampliado para movimento de rotação da aleta 9.

Este movimento consequente da aleta provoca um aumento geral da pressão em torno do menisco de tinta 20 que se dilata, tal como está ilustrado na figura 1(B), de uma forma rápida. Subsequentemente, o actuador é descativado, o que obriga a aleta 9 a voltar à sua posição de repouso (figura 2(C)).

Durante este ciclo de impulso, uma gotícula de tinta 17 é ejectada da abertura de bico 8 e, ao mesmo tempo, a tinta 6 flui de novo para a câmara de bico 1 através da entrada de tinta 7. A quantidade de movimento para a frente da tinta fora do rebordo de bico 21 e o refluxo correspondente resultam num estreitamento geral e ruptura da gotícula 17 que avança em 9 direcção a um meio de impressão, tal como está ilustrado na figura 2(C) . 0 menisco colapsado 20 obriga a tinta 6 a ser aspirada para a câmara de bico 1 através da entrada de tinta 7. A câmara de bico 1 volta a ser cheia para que a posição na figura 2 (A) seja de novo atingida e o conjunto de bico 100 esteja pronto para a ejecção de outra goticula de tinta.

Com referência à figura 3, pode ver-se que as unidades actuadoras 13 são cónicas em relação aos seus eixos transversais, tendo uma extremidade mais estreita ligada ao pilar 14 e uma extremidade mais larga ligada ao braço 11. Esta conicidade garante que se verifica um aquecimento óhmico máximo perto do pilar 14, maximizando assim o movimento de deflexão termoelástico.

Normalmente, a viga passiva 6 é feita em dióxido de silício ou TEOS depositado por CVD (deposição química em fase gasosa/vapor) . Tal como está ilustrado nas figuras 2 a 4, o braço 11 é feito no mesmo material.

No presente invento, a viga activa 15 é feito numa liga de alumínio, de preferência uma liga de alumínio - vanádio, tal como está descrito acima.

Conjunto de bico compreendendo um actuador de deflexão térmica afastado

Com referência agora às figuras 5 a 8, estas ilustram um conjunto de bico 300 de acordo com uma segunda forma de realização. Com referência às figuras 5 a 7 dos desenhos acompanhantes, o conjunto de bico 300 é montado (por meio de tecnologia MEMS) num substracto 301 definindo uma abertura de alimentação de tinta 302 abrindo através de uma entrada hexagonal 303 (que poderia ter qualquer outra configuração 10 adequada) para a câmara 304. A câmara é definida por uma parte de chão 305, parte de tecto 306 e paredes laterais periféricas 307 e 308 que se sobrepõem de uma forma telescópica. As paredes laterais 307, descendendo da parte de tecto 306, estão dimensionadas para poderem deslocar-se para cima e para baixo dentro das paredes laterais 308 que sobem da parte de tecto 305. 0 bico de injecção é formado por um rebordo 309 localizado na parte de tecto 306 para definir uma abertura para a ejecção de tinta da câmara de bico, tal como será descrito mais abaixo. A parte de tecto 306 e as paredes laterais 307 descendentes são suportadas por um actuador de deflexão 310 constituído tipicamente por camadas formando um braço aquecido por efeito de Joule que é restringido por um braço não aquecido, para que o aquecimento do braço por efeito de Joule provoque uma dilatação diferencial entre o braço aquecido por efeito de Joule e o braço não aquecido, obrigando o actuador de deflexão 310 a dobrar. A extremidade proximal 311 do actuador de deflexão é fixa ao substracto 301 e impedida de se deslocar para trás por um elemento de fixação 312 que será descrito mais abaixo, e a extremidade distai 313 é fixa a, e suporta, a parte de tecto 306 e paredes laterais 307 do bico de jacto de tinta.

Em utilização, é fornecida tinta à câmara de bico através da passagem 302 e aberturas 303 de qualquer forma adequada. Quando se pretende ejectar uma gota de tinta da câmara de bico, é fornecida uma corrente eléctrica ao actuador de deflexão 310 obrigando o actuador a dobrar para a posição ilustrada na figura 6 e a deslocar a parte de tecto 306 para baixo, na direcção da parte de chão 305. Este movimento relativo diminui o volume da câmara de bico, obrigando a tinta a inchar para 11 cima através do rebordo de bico 309, tal como está identificado com 314 (figura 6) onde é transformado numa goticula pela tensão superficial na tinta. À medida que a corrente eléctrica é retirada do actuador de deflexão 310, o actuador reverte para a configuração direita tal como está ilustrado na figura 7, deslocando a parte de tecto 306 da câmara de bico para cima, para o local original. A quantidade de movimento da goticula de tinta 314 parcialmente formada obriga a goticula a continuar a deslocar-se para cima formando uma gota de tinta 315, tal como está ilustrado na figura 7, que é projectada na superfície de papel adjacente, ou noutro artigo a ser impresso.

Numa forma do invento, a abertura 303 na parte de chão 305 é relativamente grande quando comparada com a secção transversal da câmara de bico, e a goticula de tinta é obrigada a ser ejectada através do rebordo de bico 309 com o movimento descendente da parte de tecto 306 pela resistência viscoso nas paredes laterais da abertura 302, e nas condutas de alimentação que vão do reservatório de tinta (não ilustrado) para a abertura 302.

Para evitar que a tinta saia da câmara de bico durante a actuação, isto é, durante a deflexão do actuador de deflexão 310, é formado um vedante fluídico entre as paredes laterais 307 e 308, como será agora descrito com referência específica às figuras 7 e 8. A tinta é retida na câmara de bico durante o movimento relativo da parte de tecto e parte de chão 315 pelas características geométricas das paredes laterais 307 e 308, que garantem que a tinta é retida dentro da câmara de bico por meio da tensão superficial. Para isto é proporcionado um espaço muito fino entre a parede lateral descendente 307 e as 12 superfícies voltadas uma para a outra 316 da parede lateral ascendente 308. Tal como se pode ver claramente na figura 8, a tinta (ilustrada como área a sombreado escuro) fica restringida dentro da pequena abertura entre a parede lateral descendente 307 e faces voltadas para dentro 316 da parede lateral que se estende para cima pela proximidade das duas paredes laterais, o que garante que a tinta se "auto veda" através da abertura livre 307 por meio de tensão superficial, devido à grande proximidade das paredes laterias.

Para prever que qualquer tinta possa escapar à restrição de tensão superfície devido a impurezas ou outra factores que possam quebrar a tensão superficial, a parede lateral ascendente 308 é proporcionada com a forma de um canal voltado para cima, tendo não só a superfície interior 316, mas uma superfície exterior paralela afastada 18 formando um canal em forma de U 319 entre as duas superfícies. Quaisquer gotículas de tinta que se escapam da tensão superficial entre as superfícies 307 e 316, extravasa para o canal em forma de U, onde é retida mais do que sofrer "efeito de mecha" ao longo da superfície do bico. Desta forma, é formado um vedante fluídico de parede dupla que é eficaz na retenção da tinta dentro do mecanismo do bico em movimento.

Com referência à figura 8, ver-se-á que o actuador 310 é constituído por uma primeira viga activa 358 disposta por cima e afastado de uma segunda viga passiva 360. Afastando as duas vigas, a transferência térmica da viga activa 358 para a viga passiva 360 é minimizada. Assim, este arranjo afastado tem a vantagem de maximizar a eficiência termoelástica. No presente invento, a viga activa 358 pode ser feita numa liga de alumínio, tal como está descrito acima, tal como uma liga de alumínio - vanádio. 13

Actuador de deflexão térmica definindo um tecto de bico em movimento

As formas de realização exemplificadas pelas figuras 5 a 8 mostram um conjunto de bico 300 compreendendo uma câmara de bico 304 tendo uma parte de tecto 306 que se desloca relativamente a uma parte de tecto 305 da câmara. A parte de tecto móvel 306 é actuada para se deslocar para a parte de chão 305 por meio de um actuador de deflexão térmica 310 de duas camadas colocado externamente à câmara de bico 305.

Um tecto em movimento baixa a energia de ejecção da gota, uma vez que apenas uma face da estrutura em movimento tem de trabalhar contra a tinta viscosa. No entanto, permanece a necessidade de aumentar a quantidade de potência disponível para a ejecção da gota. Aumentando a quantidade de energia, pode ser usada uma duração de impulso menor para proporcionar a mesma quantidade de energia. Com durações de impulso menores, podem conseguir-se melhores características de ejecção de gota.

Um meio para aumentar a energia do actuador consiste em aumentar a dimensão do actuador. No entanto, no modelo de bico ilustrado nas figuras 5 a 8, é evidente que um aumento na dimensão de actuador afectaria negativamente o afastamento do bico, o que é indesejável no fabrico de cabeças de impressão para páginas de alta resolução.

Uma solução para este problema é proporcionada pelo conjunto de bico 400 ilustrado nas figuras 9 a 12. 0 conjunto de bico 400 compreende uma câmara de bico 401 feita numa camada de CMOS passivada 402 de um substracto 403 em silício. A câmara de bico é definida por um tecto 404 e paredes laterais 405 estendendo-se do tecto até à camada COMS passivada 402. É fornecida tinta à câmara de bico 401 por meio de uma entrada de 14 tinta 406 em comunicação de fluido com um canal de alimentação de tinta 407 que recebe tinta do lado traseiro do substracto em silício. A tinta é ejectada da câmara de bico 410 por meio de uma abertura de bico 408 definida no tecto 404. A abertura de bico 408 está deslocada da entrada de tinta 406.

Tal como está ilustrado mais claramente na figura 10, o tecto 404 tem uma parte móvel 409 que define uma parte substancial da área total do tecto. Tipicamente, a parte móvel 409 define pelo menos 20%, pelo menos 30%, pelo menos 40% ou pelo menos 50% da área total do tecto 404. Na forma de realização ilustrada nas figuras 9 a 12, a abertura de bico 408 e rebordo de bico 415 estão definidos na parte móvel 409, para que a abertura de bico e rebordo de bico se desloquem com a parte móvel. O conjunto de bico 400 é caracterizado por a parte móvel 409 ser definida por um actuador de deflexão térmica 410 tendo um viga activa superior plana 411 e um viga passiva inferior plana 412. Assim, o actuador 410 define tipicamente pelo menos 20%, pelo menos 30%, pelo menos 40%, ou pelo menos 50% da área total do tecto 404. De forma correspondente, a viga activa superior 411 define tipicamente pelo menos 20%, pelo menos 30%, pelo menos 40%, ou pelo menos 50% da área total do tecto 404.

Tal como está ilustrado nas figuras 9 e 10, pelo menos parte da viga activa superior 411 está afastada da viga passiva inferior 412 para maximizar o isolamento térmico das duas vigas. Mais especificamente, é usada uma camada de TI como uma camada de ligação 413 entre a viga activa superior 411, feita em TiN e a viga passiva inferior 412, feita em SÍO2. A camada de ligação 413 permite que seja definido um espaço 414 no actuador 410 entre as vigas activa e passiva. Este espaço 414 melhora a eficiência global do actuador 410 minimizando a 15 transferência térmica da viga activa 411 para a viga passiva 412 .

No entanto, é claro que será considerado que a viga activa 411 pode, em alternativa, ser unida por fusão ou ligada directamente à viga passiva 412 para uma melhor rigidez estrutural. Estas modificações de concepção poderiam muito bem estar dentro do âmbito de quem tem competência e contidas no âmbito do presente invento. A viga activa 411 está ligada a um par de contactos 416 (positivo e terra) através da camada de ligação em Ti. Os conectados 416 ligam-se com o circuito de comando nas camadas de CMOS.

Quando se pretende ejectar uma goticula de tinta da câmara de bico 401, uma corrente passa através da viga activa 411 entre os dois contactos 416. A viga activa 411 é rapidamente aquecido pela corrente e expande-se relativamente à viga passiva 412, obrigando desta forma o actuador 410 (que define a parte móvel 409 do tecto 404) a dobrar para baixo na direcção do substracto 403. Este movimento do actuador 410 provoca a ejecção de tinta da abertura de bico (408) por meio de um aumento rápido da pressão dentro da câmara de bico 401. Quando a corrente deixa de passar, a parte móvel 409 do tecto 404 pode voltar à sua posição de repouso, que aspira tinta da entrada 406 para a câmara de bico 401, pronta para a ejecção seguinte.

Assim, o principio da ejecção de goticula de tinta é análogo ao descrito acima em ligação com o conjunto de bico 300. No entanto, com o actuador de deflexão térmica 410 definindo a parte móvel 409 do tecto 404, uma quantidade muito maior de energia é tornada disponível para a ejecção de goticula, porque a viga activa 411 tem uma área grande quando comparada com a dimensão global do conjunto de bico 400. 16

De volta à figura 12, será rapidamente tomado em consideração que o conjunto de bico 400 (assim como quaisquer outros conjuntos de bico aqui descritos) pode ser replicado para uma série de conjuntos de bico para definirem uma cabeça de impressão ou circuito integrado de cabeça de impressão. Um circuito integrado de cabeça de impressão compreende um substracto em silício, uma série de conjuntos de bico (tipicamente dispostos em fiadas) presos no substracto, e circuitos de comando para os conjuntos de bico. Uma pluralidade de circuitos integrados de cabeça de impressão podem ser encostados ou ligados para formar uma cabeça de impressão por jacto de tinta para largura de página tal como está descrito, por exemplo, nos pedidos anteriores do requerente números 10/854,491 arquivado em 27 de Maio de 2004, e 11/014,732 arquivado em 20 de Dezembro de 2004. O conjunto de bico 500 ilustrado nas figuras 13 a 15 é semelhante ao conjunto de bico, enquanto que um actuador de deflexão térmica 510, tendo uma viga activa superior 511 e uma viga passiva inferior 512, define uma parte móvel de um tecto 504 da câmara de bico 501. Assim, o conjunto de bico 500 consegue as mesmas vantagens, em termos de maior energia, que o conjunto de bico 400.

No entanto, em contraste com o conjunto de bico 400, a abertura de bico 508 e rebordo 515 não estão definidos pela parte móvel do tecto 504. Em vez disso, a abertura de bico 508 e rebordo 515 são definidos numa parte fixa do tecto 504 para que o actuador 510 se desloque independentemente da abertura de bico e do rebordo durante a ejecção da gotícula. Uma vantagem deste arranjo é o facto de proporcionar um controlo mais fácil da direcção de voo da gota. 17 É claro que será tomado em consideração que as ligas de alumínio, com a sua vantagem inerente em termos de melhor eficiência de deflexão térmica, podem ser usadas como a viga activa em qualquer um dos actuadores de deflexão térmica 410 e 510 descritos acima em ligação com as formas de realização ilustradas nas figuras 9 a 15.

Os conjuntos de bico 400 e 500 podem ser fabricados usando tecnologias MEMS adequadas, de uma forma análoga a processos de fabrico de bico de jacto de tinta exemplificados nas anteriores patentes dos EUA do requerente, números 6,416,167 e 6,755,509.

Viga activa tende rigidez óptima numa direcção de deflexão

Com referência agora às figuras 1 e 15, poderá ver-se que cada uma das vigas activas superiores 411 e 511 dos actuadores 410 e 510 é constituída por um elemento de viga sinuoso, tendo quer uma configuração dobrada (no caso da viga 411) ou em serpentina (no caso da viga 511). O elemento de viga sinuoso é alongado e tem uma área em secção transversal relativamente pequena, adequada para aquecimento óhmico. Para além disso, a configuração sinuosa permite que as extremidades respectivas do elemento de viga sejam ligadas a contactos respectivos colocados numa extremidade do actuador, simplificando a concepção e construção globais do conjunto de bico. Com referência especificamente às figuras 14 e 15, um elemento de viga alongado 520 tem uma configuração em serpentina definindo uma viga activa alongada em consola 511 do actuador 510. 0 elemento de viga em serpentina 520 tem um percurso sinuoso, plano, ligando um primeiro contacto eléctrico 516 a um segundo contacto eléctrico 516. Os contactos eléctricos 516 (positivo e terra) estão colocados numa 18 extremidade do actuador 510 e proporcionam ligação eléctrica entre circuitos de comando nas camadas CMOS 502 e a viga activa 511. O elemento de viga em serpentina 510 é fabricado por técnicas Standard de litografia associada a ataque químico e definidas por uma pluralidade de elementos de viga contínuos. Em geral, os elementos de viga podem ser definidos como partes sólidas de material de viga, que se estendem substancialmente linearmente por exemplo, numa direcção longitudinal ou transversal. As partes de viga do elemento de viga 520 são constituídas por elementos de viga mais compridos 521, que se estendem ao longo de um eixo longitudinal da viga alongada em consola 511, e os elementos de viga mais curtos 522, que se estendem através de um eixo transversal da viga alongada em consola 511. Uma vantagem desta configuração para o elemento de viga em serpentina 520 é que proporciona rigidez máxima numa direcção de deflexão da viga em consola 511. A rigidez na direcção de deflexão é vantajosa porque facilita a deflexão do actuador 510 de volta para a sua posição de repouso após cada actuação.

Deverá tomar-se em consideração que a configuração da viga activa deflectida para o conjunto de bico 400 ilustrado na figura 11 consegue as mesmas vantagens, ou vantagens semelhantes às descritas acima em ligação com o conjunto de bico 500. Na figura 1, os elementos de viga maiores, estendendo-se longitudinalmente, estão identificados com 421, enquanto que o elemento de viga mais curto de interligação, estendendo-se transversalmente, está identificado com 422.

Utilização de material poroso para melhorar a eficiência térmica 19

Em todas as formas de realização descritas acima, assim como em todas as outras formas de realização dos actuadores de deflexão térmica descritas pelo presente requerente, a viga activa está, ou ligada à viga passiva para robustez estrutural (ver figuras 1 e 2), ou a viga activa está afastado da viga passiva para uma eficiência térmica máxima (ver figura 8). A eficiência térmica proporcionada por uma folga de ar entre as vigas é, é claro, desejável. No entanto, esta melhoria na eficiência térmica é feita normalmente à custa da robustez estrutural e da tendência de deformação do actuador de deflexão térmica. A patente US n° 6,163,066 descreve um isolante poroso em dióxido de silicio, tendo uma constante dieléctrica de cerca de 2,0 ou menos. O material é formado por deposição de carboneto de silicio e oxidação do componente de carbono para formar dióxido de silicio poroso. Aumentando a relação entre o carbono e o silicio, a porosidade do dióxido de silicio poroso resultante pode aumentar. O dióxido de silicio poroso é conhecido por ser útil como uma camada de passivação em circuitos integrados para reduzir a resistência parasítica.

No entanto, o presente requerente descobriu que os materiais porosos deste tipo são úteis para melhorar a eficiência dos actuadores de deflexão térmica. Pode ser usado um material poroso, quer como uma camada isolante entre uma viga activa e um viga passiva, quer como a própria viga passiva. A figura 16 mostra um actuador de deflexão térmica 600 compreendendo uma viga activa superior 601, um viga passiva inferior 602 e uma camada isolante 603 colocado em sanduíche entre as vigas superior e inferior. A viga isolante é feita em 20 dióxido de silício poroso, enquanto que as vigas activa e passiva 601 e 602 podem ser feitas em quaisquer materiais adequados, tais como TiN e SiCg, respectivamente. A porosidade da camada isolante 603 proporciona um excelente isolamento térmico entre as vigas activa e passiva 601 e 602. A camada isolante 603 também proporciona robustez estrutural ao actuador 600. Assim, o actuador 600 combina as vantagens de ambos os tipos de actuador de deflexão térmica descritos acima em ligação com as figuras 1, 2 e 8.

Em alternativa, tal como está ilustrado na figura 17, o material poroso pode simplesmente formar a camada passiva de um actuador de deflexão térmica de duas camadas. Assim, o actuador de deflexão térmica 650 compreende uma viga activa superior 651 feita em TinN, e um viga passiva inferior 652 feito em dióxido de silício poroso.

Deverá tomar-se em consideração, é claro, que os actuadores de deflexão térmica do tipo ilustrado nas figuras 16 e 17 podem ser incorporados em qualquer bico de jacto de tinta adequado, ou noutro dispositivo MEMS. As melhorias na eficiência térmica e rigidez estrutural tornam estes actuadores atractivos em qualquer aplicação MEMS que exija um actuador mecânico ou transdutor.

Os actuadores de deflexão térmica dos tipos ilustrados nas figuras 16 e 17 são particularmente adequados para utilização nos conjuntos de jacto de tinta 400 e 500 descritos acima. Quem tem competência na técnica tomará rapidamente em consideração que as modificações adequadas dos actuadores de deflexão térmica 410 e 10 efectivariam as melhoras acima mencionadas em termos de eficiência térmica e robustez estrutural.

Deverá ainda ser tomado em consideração que os elementos de viga activa 601 e 651 nos actuadores de deflexão térmica 600 21 e 650 descritos acima podem ser feitos numa liga de alumínio, tal como está aqui descrito, para melhorar ainda mais a eficiência de deflexão térmica.

Deverá tomar-se em consideração, é claro, que o presente invento foi descrito apenas como exemplo e que podem ser feitas modificações de detalhe dentro do âmbito do invento que está definido nas reivindicações acompanhantes.

Lisboa, 7 de Novembro de 2012. 22

Claims

REIVINDICAÇÕES 1. Conjunto de bico de jacto de tinta (400) compreendendo: uma câmara de bico (401) destinada a conter a tinta, a dita câmara de bico compreendendo um chão (42) e um tecto (404), o dito tecto tendo uma abertura de bico (408) ai definida, o dito tecto tendo uma parte móvel (409) deslocável em direcção ao chão; e um actuador de deflexão térmica (410) tendo uma pluralidade de vigas em consola, destinado a injectar a tinta através da abertura de bico, em que o dito actuador de deflexão térmica (410) compreende: uma primeira viga activa (411) para ligação aos circuitos de comando; e uma segunda viga passiva (412) cooperando mecanicamente com a primeira viga, de tal forma que quando uma corrente passa através da primeira viga, a primeira viga dilata-se relativamente à segunda viga, resultando na flexão do actuador, caracterizado por: a parte móvel (409) do tecto (404) compreender o actuador de deflexão térmica. 1
2. Conjunto de bico de jacto de tinta de acordo com a reivindicação 1, no qual a primeira viga activa (411) define pelo menos 30% de uma área total do tecto (404).
3. Conjunto de jacto de tinta de acordo com a reivindicação 1, no qual a primeira viga activa (411) define pelo menos parte de uma superfície exterior do dito tecto (404).
4. Conjunto de bico de jacto de tinta de acordo com a reivindicação 1, no qual a abertura de bico (408) está definida na parte móvel (409) de forma a que a abertura de bico seja móvel relativamente ao chão (402).
5. Conjunto de bico de jacto de tinta de acordo com a reivindicação 1, no qual o actuador (510) é móvel relativamente à abertura de bico (508).
6. Conjunto de jacto de tinta de acordo com a reivindicação 1, no qual a primeira viga (511) é definido por um elemento de viga sinuoso (520), o dito elemento de viga sinuoso tendo uma pluralidade de elementos de viga contíguos.
7. Conjunto de bico de jacto de tinta de acordo com a reivindicação 6, no qual a pluralidade de elementos de viga contíguos compreende uma pluralidade de elementos de viga mais compridos (521) estendendo-se ao longo de um eixo longitudinal da primeira viga, e pelo menos um elemento de viga mais curto (522) estendendo-se através de um eixo transversal da primeira viga e interligando elementos de viga mais compridos. 2
8. Conjunto de bico de jacto de tinta de acordo com a reivindicação 1, no qual uma da dita pluralidade de vigas é feita num material poroso.
9. Conjunto de bico de jacto de tinta de acordo com a reivindicação 8, no qual o dito material poroso é dióxido de silício poroso tendo uma constante dieléctrica de 2 ou menos.
10. Conjunto de bico de jacto de tinta de acordo com a reivindicação 1, no qual o actuador de deflexão térmica (410) compreende ainda uma terceira viga de isolamento colocada em sanduíche entre a primeira viga (411) e uma segunda viga (412).
11. Conjunto de bico de jacto de tinta de acordo com a reivindicação 10, no qual a terceira viga de isolamento é feita num material poroso.
12. Conjunto de bico de jacto de tinta de acordo com a reivindicação 1, no qual a primeira viga (11) é reunida por fusão ou ligada à segunda viga (412).
13. Conjunto de bico de jacto de tinta de acordo com a reivindicação 1, no qual pelo menos parte da primeira viga (411) está afastada da segunda viga (412).
14. Conjunto de bico de jacto de tinta de acordo com a reivindicação 1, no qual a primeira viga (411) é feita num material escolhido de entre o grupo compreendendo: nitrato 3 de titânio, nitrato de titânio e de alumínio e uma liga de alumínio.
15. Cabeça de impressão de jacto de tinta ou circuito integrado de cabeça de impressão de jacto de tinta compreendendo uma série de conjuntos de bico de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes. Lisboa, 7 de Novembro de 2012. 4