DE60017032T2

DE60017032T2 - Flüssigkeitsausstosskopf, Flüssigkeitsausstossapparat und Flüssigkeitsausstossverfahren

Info

Publication number: DE60017032T2
Application number: DE60017032T
Authority: DE
Inventors: Kiyomitsu Kudo; Hiroshi Sugitani; Masanori Takenouchi; Masami Ikeda; Masahiko Kubota; Ryoji Inoue; Takashi Saito
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1999-09-03
Filing date: 2000-09-01
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2020-09-02
Also published as: EP1080902A1; DE60017032D1; EP1080902B1; US6533400B1; ATE285898T1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Flüssigkeitsausstoßkopf für die Anwendung von Wärmeenergie auf eine Flüssigkeit, um eine Blase zu erzeugen und die Flüssigkeit auszustoßen, ein Verfahren zur Herstellung des Flüssigkeitsausstoßkopfes und eines Flüssigkeitsausstoßapparates, der den Flüssigkeitsausstoßkopf verwendet.
Außerdem kann die vorliegende Erfindung für Vorrichtungen verwendet werden, die eine Aufzeichnung auf Aufzeichnungsmedien durchführen wie Papier, Fäden, Faserstoff, Gewebe, Leder, Metall, Kunststoff, Glas, Holz, Keramik oder dergleichen, derart wie ein Drucker, ein Kopiergerät, ein Faxgerät, das mit einem Kommunikationssystem ausgestattet ist, und ein Textverarbeitungssystem, das mit einer Druckvorrichtung versehen ist, und weiterhin für eine industrielle Aufzeichnungsvorrichtung, die mit verschiedenen Verarbeitungsvorrichtungen auf eine zusammengesetzte Art und Weise kombiniert ist.
Außerdem bedeutet „Aufzeichnung" in der vorliegenden Erfindung nicht nur, daß ein Schriftzeichenbild, ein Diagrammbild oder ein anderes Bild mit einer Bedeutung auf das Aufzeichnungsmedium gebracht wird, sondern daß auch ein Bild von einem Muster oder ein anderes Bild ohne Bedeutung darauf gebracht wird.
In herkömmlichen Aufzeichnungsvorrichtungen derart wie ein Drucker, ist ein Tintenstrahlaufzeichnungsverfahren – ein sogenanntes Blasenstrahlaufzeichnungsverfahrenbekannt, das aufweist die Anwendung von Wärme oder einer anderen Energie auf eine flüssige Tinte in einer Strömungsbahn, um eine Blase zu erzeugen, wobei das Ausstoßen der Tinte aus einer Ausstoßöffnung durch eine Krafteinwirkung bewirkt wird, die auf einer starken Volumenänderung durch die Blase basiert und das Haften der Tinte auf dem Aufzeichnungsmedium, um ein Bild herauszubilden. In einer Aufzeichnungsvorrichtung, die das Blasenstrahlaufzeichnungsverfahren verwendet, wie in Dokument US 4,723,129 oder dergleichen beschrieben, sind gewöhnlich angeordnet die Ausstoßöffnung zum Ausstoßen der Tinte, die mit der Ausstoßöffnung verbundene Strömungsbahn und ein elektrothermisch umwandelndes Element als energieerzeugende Vorrichtung, die in der Strömungsbahn zum Ausstoßen der Tinte angeordnet ist.
Dem Aufzeichnungsverfahren entsprechend kann ein qualitativ hochwertiges Bild mit einer hohen Geschwindigkeit und einem geringen Geräuschpegel aufgezeichnet werden und die Ausstoßöffnungen zum Ausstoßen der Tinte können mit einer hohen Dichte in einem Kopf angeordnet werden, um das Aufzeichnungsverfahren durchzuführen, das viele Vorteile liefert, so ein mit hoher Auflösung aufgezeichnetes Bild, und darüber hinaus kann leicht ein Farbbild mit einem kleinformatigen Gerät erhalten werden. Daher wird das Blasenstrahlaufzeichnungsverfahren in den letzten Jahren in vielen Bürogeräten genutzt, derart wie Drucker, Kopiergeräte und Faxgeräte und weiterhin in industriellen Systemen derart wie Textildruckmaschinen.
Verschiedene Forderungen werden mit der Verwendung dieser Blasenstrahltechnik in Produkten unterschiedlicher Bereiche erhoben und zum Beispiel Steuerungsbedingungen vorgeschlagen für die Bereitstellung eines Flüssigkeitsausstoßverfahrens, um einen befriedigenden Tintenausstoß durchzuführen mit einer hohen Tintenausstoßgeschwindigkeit aufgrund einer stabilen Blasenerzeugung, um ein Bild in hoher Qualität zu erhalten oder Verbesserungen des Aufbaus der Strömungsbahn, um einen Flüssigkeitsausstoßkopf zu erhalten, der schnell ist beim Nachfüllen der ausgestoßenen Tinte in eine Flüssigkeitsströmungsbahn unter dem Gesichtspunkt einer Hochgeschwindigkeitsaufzeichnung.
In einem Kopf zur Erzeugung der Blase in einer Düse und zum Ausstoßen der Flüssigkeit durch das Blasenwachstum sind vor allem die Blasenvergrößerung in eine Richtung entgegengesetzt zur Ausstoßöffnung und eine erzeugte Flüssigkeitsströmung als Faktoren bekannt für die sich verschlechternde Ausstoßenergiewirksamkeit und Nachfülleigenschaft; wobei in Dokument EP 0436047A1 eine Erfindung vorgeschlagen wird, die mit einer Anordnung für die Verbesserung der Ausstoßenergiewirksamkeit und der Nachfülleigenschaft ausgestattet ist.
In der in der Veröffentlichung beschriebenen Erfindung werden eine erste Klappe, die zwischen der Umgebung der Ausstoßöffnung und einem Blasenerzeuger zu deren Absperrung angeordnet ist, und eine zweite Klappe, die zwischen dem Blasenerzeuger und dem Tintenversorgungsabschnitt zu deren völliger Absperrung angeordnet ist, abwechselnd geöffnet/geschlossen (4 bis 9 von EP 0426047A1). Zum Beispiel ist in einem Beispiel in 7 der Veröffentlichung, wie in 23 gezeigt, ein wärmeerzeugendes Element 110 im Wesentlichen in der Mitte der Tintenströmungsbahn 112 zwischen einem Tintentank 116 und einer Düse 115 auf einer Unterlage 125 angeordnet, um eine innere Wand der Tintenströmungsbahn 112 auszubilden. Das wärmeerzeugende Element 110 liegt in einem Bereich 120 mit einer vollständig geschlossenen Umrandung in der Tintenströmungsbahn 112. Die Tintenströmungsbahn 112 ist zusammengesetzt aus der Unterlage 125, dünnen Schichten 123, 126, die direkt auf die Unterlage 125 aufgetragen sind, und Blättchenteilen 113, 130 als Schließelemente. Das geöffnete Blättchenteil wird als gestrichelte Linie in 23 gezeigt. Eine andere dünne Schicht, die sich in einer Ebene parallel zur Unterlage 125 erstreckt und an einem Anschlag 124 endet, trennt die Tintenströmungsbahn 112 ab. Wenn die Blase in der Tinte erzeugt wird, wird das freie Ende des Blättchenteiles 130, das im Bereich der Düse in einem ortsfesten Zustand eng am Anschlag 126 anhaftet, nach oben verschoben und die Tintenflüssigkeit wird über die Tintenströmungsbahn 112 und die Düse 115 aus dem Bereich 120 ausgestoßen. In diesem Fall kann die Tintenflüssigkeit in dem Bereich 120 nicht in Richtung der Tintenlage 116 fließen, da das Blättchenteil 113, das im Gebiet des Tintentanks 116 angeordnet ist, eng am Anschlag 124 in einem ortsfesten Zustand anliegt. Wenn die Blase in der Tinte schwindet, wird das Blättchenteil 130 nach unten verschoben, um wieder eng am Anschlag 126 anzuliegen. Außerdem fällt das Blättchenteil 113 zurück in den Tintenbereich 120, so daß die Tintenflüssigkeit entsprechend in den Bereich 120 fließt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In der in Dokument EP 0436047A1 beschriebenen Erfindung wird jedoch jede der drei Kammern in der Nähe der Ausstoßöffnung, des Blasenerzeugers und des Tintenversorgungsabschnitts zweigeteilt, die Tinte folgt entlang den Pfaden der flüssigen Tröpfchen während des Ausstoßens und die Anzahl der Satellitenpunkte steigt beträchtlich im Vergleich mit einem gewöhnlichen Ausstoßsystem für die Durchführung des Blasenwachstums, der Schrumpfung und des Blasenverschwindens (es wird angenommen, daß der Effekt des Meniskusrückzugs durch das Schwinden der Blase nicht genutzt werden kann). Außerdem verursacht die Klappe auf der Seite der Blasenausstoßöffnung einen großen Verlust an Ausstoßenergie. Weiterhin wird während des Nachfüllens (während der Auffüllung der Tinte zur Düse) mit dem Schwinden der Blase die Flüssigkeit zum Blasenerzeuger geliefert, wobei aber keine Tinte bis die nächste Blase auftritt für die Umgebung der Ausstoßöffnung bereitgestellt werden kann, daher ist die Zerstreuung der ausgestoßenen Flüssigkeitströpfchen groß und darüber hinaus ist die Ausstoßansprechfrequenz bemerkenswert klein und ein praktisches Niveau kann nicht erreicht werden.
In EP 0976562A2 ist ein Flüssigkeitsausstoßkopf und ein Flüssigkeitsausstoßverfahren offenbart. Der Flüssigkeitsausstoßkopf stößt eine Flüssigkeit durch eine Ausstoßöffnung aus, indem eine Energie verwendet wird, die durch die Erzeugung einer Luftblase hervorgerufen wird, mit Seitenwänden, die Kontakt mit einem beweglichen Element haben müssen, um eine stromaufwärts gerichtete Vergrößerung der Blase einzuschränken. Dadurch wird der Flüssigkeitsausstoß stabilisiert. Dieses Dokument stellt den Stand der Technik gemäß Art. 54(3) EPÜ dar. EP-A-0764528 offenbart eine andere ähnliche Vorrichtung früherer Technik mit einem beweglichen Element.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Erfindung bereitzustellen für die Verbesserung der Hemmleistungsfähigkeit einer Komponente des Blasenwachstums in die Richtung entgegengesetzt zu einer Ausstoßöffnung und, im Gegensatz dazu, für die Verbesserung einer Ausstoßleistungsfähigkeit, die auf einer neuen Idee beruht, um ein erfinderisches Verfahren für die Verwirklichung einer hochwirksamen Nachfülleigenschaft und eines Kopfaufbaus herauszufinden.
Als ein Ergebnis intensiver Untersuchungen haben der vorliegende Erfinder et al. gefunden, daß in einer Düsenanordnung eines Flüssigkeitsausstoßkopfes für das Erzeugen einer Blase in einer geradlinig geformten Düse und das Ausstoßen einer Flüssigkeit durch Blasenwachstum, die Funktion eines speziellen Kontrollventils das Blasenwachstum in eine (rückwärtige) der Ausstoßöffnung gegenüberliegende Richtung hemmt, wobei eine rückwärtsgerichtete Ausstoßenergie wirksam an der Seite der Ausstoßöffnung verwendet werden kann. Zudem wurde gefunden, daß die spezielle Kontrollventilfunktion eine nach hinten gerichtete Komponente des Blasenwachstum hemmt, eine wirksame Nachfülleigenschaft bereitgestellt wird und daher die Ausstoßansprechfrequenz in beträchtlichem Maße erhöht werden kann.
Insbesondere ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine Ausstoßeinrichtung (Aufbau) bereitzustellen für die gleichzeitige Vergrößerung der Ausstoßleistung und der Ausstoßfrequenz durch einen Düsenaufbau und ein Ausstoßverfahren, welche eine erfinderische Ventilfunktion verwenden und für die Schaffung einer Hochgeschwindigkeitskopfes mit hoher Bildqualität eines Niveaus, das bisher noch nicht erreicht wurde.
Gemäß der vorliegenden Erfindung, die im Verlauf der obengenannten Untersuchungen erhalten wurde, wird ein Flüssigkeitsausstoßkopf bereitgestellt, der aufweist: eine Vielzahl von Ausstoßöffnungen für das Ausstoßen einer Flüssigkeit; eine Vielzahl von Flüssigkeitsströmungsbahnen, deren eines Ende stets mit jeder der Ausstoßöffnungen in Verbindung steht und die einen Blasenerzeugungsbereich für die Bildung von Blasen in der Flüssigkeit aufweist; eine Blasenerzeugungsvorrichtung für die Erzeugung einer Energie, um die Blase zu bilden und zu vergrößern; eine Vielzahl von Flüssigkeitsversorgungsöffnungen, die in der Vielzahl von Flüs sigkeitsströmungsbahnen angeordnet sind bzw. um mit einer gemeinsamen Flüssigkeitsversorgungskammer in Verbindung zu stehen und ein bewegliches Element, das ein freies Ende aufweist und in einem geringen Abstand zur Seite der Flüssigkeitsströmungsbahn der Flüssigkeitsversorgungsöffnung gehalten wird. Eine Fläche, die umgeben ist von mindestens einem freien Endabschnitt des beweglichen Elements und beiden Seitenabschnitten in Verlängerung des freien Endabschnitts ist größer als die Öffnungsfläche der Flüssigkeitsversorgungsöffnung zur Flüssigkeitsströmungsbahn. Die Zeitspanne, in der das bewegliche Element die Öffnungsfläche abdichtet und im Wesentlichen absperrt, davon bestimmt wird, wenn eine Steuerspannung an die Blasenerzeugungsvorrichtung angelegt wird bis die Zeitspanne des wesentlichen richtungsunabhängigen Wachstums der ganzen Blase durch die Blasenerzeugungsvorrichtung beendet ist. (Vorstehender Satz so o.k.?) Nach der Zeitspanne, in der das bewegliche Element die Öffnungsfläche abdichtet und im Wesentlichen absperrt und während ein Teil der Blase wächst, die durch die Blasenerzeugungsvorrichtung auf der Seite der Ausstoßöffnung erzeugt wurde, beginnt das bewegliche Element die Verschiebung auf die Seite der Blasenerzeugungsvorrichtung innerhalb der Flüssigkeitsströmungsbahn, so daß die Flüssigkeitsversorgung der gemeinsamen Flüssigkeitsversorgungskammer zur Flüssigkeitsströmungsbahn ermöglicht wird. Wenn das Volumen eines Flüssigkeitströpfchens, das von der Ausstoßöffnung ausgestoßen wird, Vd ist und während des Ausstoßes der Flüssigkeit aus der Ausstoßöffnung ein Einzugsvolumen, das von der Ausstoßöffnung bis zu einer Flüssigkeitsoberfläche maximal in die Flüssigkeitsströmungsbahn eingezogen wurde, Vm ist, wird eine Beziehung Vd > Vm aufgestellt.
Der geringe Abstand zwischen dem beweglichen Element und der Flüssigkeitsversorgungsöffnung beträgt vorzugsweise etwa 10 μm oder weniger.
Die Ausstoßrichtung der Flüssigkeit aus der Ausstoßöffnung schneidet im Wesentlichen in einem rechten Winkel die Lot-Richtung der Oberfläche, auf der die Blasenerzeugungsvorrichtung angeordnet ist oder es wird angenommen, daß die Ausstoßöffnung gegenüber der Blasenerzeugungsvorrichtung angeordnet ist.
Außerdem wird erfindungsgemäß ein Flüssigkeitsausstoßapparat bereitgestellt, der aufweist: den obenerwähnten Flüssigkeitsausstoßkopf und eine Aufzeichnungsmediumbeförderungsvorrichtung für das Befördern eines Aufzeichnungsmediums, um die Flüssigkeit aufzunehmen, die vom Flüssigkeitsausstoßkopf ausgestoßen wird. In diesem Fall wird berücksichtigt, daß eine Tinte vom Flüssigkeitsausstoßkopf ausgestoßen wird und am Aufzeichnungsmedium anhaftet, um die Aufzeichnung durchzuführen.
Weiterhin wird erfindungsgemäß ein Flüssigkeitsausstoßverfahren bereitgestellt, das einen Flüssigkeitsausstoßkopf verwendet, der aufweist:
eine Vielzahl von Ausstoßöffnungen für das Ausstoßen einer Flüssigkeit;
eine Vielzahl von Flüssigkeitsströmungsbahnen, deren eines Ende stets mit jeder der Ausstoßöffnungen in Verbindung steht und die einen Blasenerzeugungsbereich für die Bildung von Blasen in der Flüssigkeit aufweist;
eine Blasenerzeugungsvorrichtung für die Erzeugung einer Energie, um die Blase zu bilden und zu vergrößern;
eine Vielzahl von Flüssigkeitsversorgungsöffnungen, die in der Vielzahl von Flüssigkeitsströmungsbahnen angeordnet sind bzw. um mit einer gemeinsamen Flüssigkeitsversorgungskammer in Verbindung zu stehen und
ein bewegliches Element, das ein freies Ende aufweist und in einem geringen Abstand zur Seite der Flüssigkeitsströmungsbahn der Flüssigkeitsversorgungsöffnung gehalten wird,
wobei eine Fläche, die umgeben ist von mindestens einem freien Endabschnitt des beweglichen Elements und beiden Seitenabschnitten in Verlängerung des freien Endabschnitts größer ist als die Öffnungsfläche der Flüssigkeitsversorgungsöffnung zur Flüssigkeitsströmungsbahn,
die Zeitspanne, in der das bewegliche Element die Öffnungsfläche abdichtet und im Wesentlichen absperrt, davon bestimmt wird, wenn eine Steuerspannung an die Blasenerzeugungsvorrichtung angelegt wird bis die Zeitspanne des wesentlichen richtungsunabhängigen Wachstums der ganzen Blase durch die Blasenerzeugungsvorrichtung beendet ist,
nach der Zeitspanne, in der das bewegliche Element die Öffnungsfläche abdichtet und im Wesentlichen absperrt und während ein Teil der Blase wächst, die durch die Blasenerzeugungsvorrichtung auf der Seite der Ausstoßöffnung erzeugt wurde, beginnt das bewegliche Element die Verschiebung auf die Seite der Blasenerzeugungsvorrichtung innerhalb der Flüssigkeitsströmungsbahn, so daß die Flüssigkeitsversorgung der gemeinsamen Flüssigkeitsversorgungskammer zur Flüssigkeitsströmungsbahn ermöglicht wird und
wenn das Volumen eines Flüssigkeitströpfchens, das von der Ausstoßöffnung ausgestoßen wird, Vd ist und
während des Ausstoßes der Flüssigkeit aus der Ausstoßöffnung ein Einzugsvolumen, das von der Ausstoßöffnung bis zu einer Flüssigkeitsoberfläche maximal in die Flüssigkeitsströmungsbahn eingezogen wurde, Vm ist,
wird eine Beziehung Vd > Vm aufgestellt.
In der obenerwähnten Anordnung, wird von dem Zeitpunkt, wenn die Steuerspannung für die Blasenerzeugungsvorrichtung angewendet wird bis zum Zeitpunkt, wenn das wesentliche richtungsunabhängige Wachstum der gesamten Blase durch die Blasenerzeugungsvorrichtung beendet ist, der Verbindungszustand zwischen der Flüssigkeitsströmungsbahn und der Flüssigkeitsversorgungsöffnung unmittelbar durch das bewegliche Element abgesperrt. Daher scheitert das Fortpflanzen der durch das Blasenwachstum im Blasenerzeugungsbereich gebildeten Druckwelle zur Seite der Flüssigkeitsversorgungsöffnung und gemeinsamen Flüssigkeitsversorgungskammer, wobei der größte Teil der Welle zur Ausstoßöffnungsseite gerichtet ist und die Ausstoßleistung rasch verbessert wird. Überdies kann sogar, wenn eine Aufzeichnungsflüssigkeit mit einer hohen Viskosität verwendet wird, um die Flüssigkeit auf dem Aufzeichnungsblatt oder dergleichen bei einer hohen Geschwindigkeit zu fixieren oder Verschmierung in der Grenze von Schwarz oder einer anderen Farbe zu beseitigen, die Flüssigkeit zufriedenstellend ausgestoßen werden durch die rasche Verbesserung der Ausstoßleistung. Außerdem nimmt mit einer Umgebungsveränderung während der Aufzeichnung, besonders bei einer Umgebung mit niedriger Temperatur und niedriger Luftfeuchtigkeit, ein Tintenverdickungsbereich in der Ausstoßöffnung zu und die Tinte kann in einigen Fällen nicht wie üblich beim Beginn der Verwendung ausgestoßen werden, aber in der vorliegenden Erfindung kann die Tinte von Anfang an zufriedenstellend ausgestoßen werden. Weiter, da die Ausstoßleistung stark verbessert ist, zum Beispiel durch die Verringerung der Größe des wärmeerzeugenden Elements, kann die Energie, die für das Ausstoßen veranschlagt wird, reduziert werden.
Weiterhin wird das bewegliche Element bei der Schrumpfung der Blase zur Seite der Blasenerzeugungsvorrichtung verscho ben, wobei die Flüssigkeit schnell aus der gemeinsamen Flüssigkeitsversorgungskammer über die Flüssigkeitsversorgungsöffnung in die Flüssigkeitsströmungsbahn fließt und eine Strömung für den Einzug eines Meniskus nach dem Ausstoß von der Ausstoßöffnung in die Flüssigkeitsströmungsbahn sich rasch verringert. Dadurch verringert sich der Rückzugsbetrag des Meniskus in der Ausstoßöffnung nach dem Ausstoß der Flüssigkeitströpfchen. Als Ergebnis kehrt der Meniskus nach dem Ausstoß in kurzer Zeit zu seiner Ausgangslage zurück. Insbesondere kann sogar, da die Zeit für das vollständige Nachfüllen einer konstanten Tintenmenge in die Flüssigkeitsströmungsbahn kurz ist, die Ausstoßfrequenz (Steuerfrequenz) rasch vergrößert werden für die Durchführung eines hochgenauen (gleichmäßigen) Tintenausstoßes.
Andere Auswirkungen der vorliegenden Erfindung werden durch die Beschreibung der betreffenden Ausführungsformen verständlich.
Außerdem werden „stromaufwärts" und „stromabwärts" in der Beschreibung der vorliegenden Erfindung verwendet in Bezug auf die Strömungsrichtung der Flüssigkeit in Richtung der Ausstoßöffnung von einer Flüssigkeitsversorgungsquelle über den Blasenerzeugungsbereich (oder das bewegliche Element) oder bezüglich einer anlagebedingten Richtung.
Überdies bedeutet „stromabwärtsgerichtete Seite" hinsichtlich der Blase selbst, daß die Blase auf der stromabwärtsgerichteten Seite der Strömungsrichtung oder der anlagebedingten Richtung in Bezug auf den Blasenmittelpunkt erzeugt wurde oder in einem Bereich auf der stromabwärtsgerichteten Seite von einem Flächenmittelpunkt des wärmeerzeugenden Elements aus gesehen.
Weiterhin beinhaltet der Ausdruck „das bewegliche Element dichtet und sperrt im Wesentlichen die Flüssigkeitsversorgungsöffnung ab" in der vorliegenden Erfindung einen Fall, bei dem das bewegliche Element nicht notwendigerweise eng am Randabschnitt der Flüssigkeitsversorgungsöffnung anliegt und nicht grenzenlos an die Flüssigkeitsversorgungsöffnung heranreicht.
KURZBSCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine Querschnittsansicht längs einer Richtung der Flüssigkeitsströmungsbahn des Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine Querschnittsansicht längs der 2-2 Linie von 1.
3 zeigt eine Querschnittsansicht längs der 3-3 Linie von 1.
4 zeigt eine Querschnittsansicht der Strömungsbahn, die einen „geradlinigen Verbindungszustand" aufweist.
5A, 5B, 5C und 5D zeigen erklärende Ansichten der Ausstoßarbeitsweise des Flüssigkeitsausstoßkopfes mit einem Aufbau wie in den 1 bis 3 gezeigt, die den Flüssigkeitsausstoßkopf in einer Schnittansicht entlang der Richtung einer Flüssigkeitsströmungsbahn darstellen und eine charakteristische Erscheinung in gegliederten Art und Weise zeigen.
6A, 6B und 6C zeigen Ansichten des Flüssigkeitsausstoßkopfes, geschnitten entlang der Richtung der Flüssigkeits strömungsbahn, um die Ausstoßarbeitsweise darzustellen, die von 5D fortgesetzt wird.
7A, 7B, 7C, 7D und 7E zeigen Ansichten eines richtungsunabhängigen Wachstumszustandes der Blase aus 5B.
8 zeigt ein Diagramm, das die Wechselbeziehung zwischen der zeitlichen Änderung des Blasenwachstums in den Bereichen A und B, gezeigt in 5 und 6, und dem Verhalten des beweglichen Elements darstellt.
9A zeigt eine Ansicht des Flüssigkeitsausstoßkopfes mit einer relativen Position zwischen dem beweglichen Element und einem wärmeerzeugenden Element, die sich von der in 1 gezeigten Position unterscheidet und 9B zeigt ein Diagramm, das die Wechselbeziehung zwischen der zeitlichen Änderung des Blasenwachstums und dem Verhalten des beweglichen Elements darstellt.
10A zeigt eine Ansicht des Flüssigkeitsausstoßkopfes mit der relativen Position zwischen dem beweglichen Element und dem wärmeerzeugenden Element, die sich von der in 1 gezeigten Position unterscheidet und 10B zeigt ein Diagramm, das die Wechselbeziehung zwischen der zeitlichen Änderung des Blasenwachstums und dem Verhalten des beweglichen Elements darstellt.
11A, 11B, 11C und 11D zeigen erklärende Ansichten eines Verfahrens für die Herstellung des Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
12A, 12B und 12C zeigen erklärende Ansichten des Verfahrens für die Herstellung des Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
13A, 13B und 13C zeigen erklärende Ansichten des Verfahrens für die Herstellung des Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
14A, 14B, 14C und 14D zeigen erklärende Ansichten des Verfahrens für die Herstellung des Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
15A und 15B zeigen erklärende Ansichten des Verfahrens für die Herstellung des Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
16 zeigt eine Querschnittsansicht, die schematisch einen Aufbau des Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
17 zeigt eine erklärende Ansicht, die ein Beispiel eines Seitenschuß-Kopftyps darstellt, für den ein Flüssigkeitsausstoßverfahren der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
18 zeigt ein Diagramm, das die Wechselbeziehung zwischen der Fläche des wärmeerzeugenden Elements und der Tintenausstoßmenge darstellt.
19A und 19B sind Längsschnittansichten des Flüssigkeitsausstoßkopfes der vorliegenden Erfindung mit einem Schutzfilm bzw. ohne den Schutzfilm.
20 zeigt die Kurve eines Signals zur Steuerung des wärmeerzeugenden Elements für die Verwendung in der vorliegenden Erfindung.
21 zeigt eine schematische Ansicht, die den Aufbau einer Flüssigkeitsausstoßapparatur darstellt, auf welcher der Flüssigkeitsausstoßkopf der vorliegenden Erfindung angeordnet ist.
22 zeigt ein Blockdiagramm der gesamten Vorrichtung für die Durchführung der Flüssigkeitsausstoßaufzeichnung mit dem Flüssigkeitsausstoßverfahren und dem Flüssigkeitsausstoßkopf der vorliegenden Erfindung.
23 zeigt eine Querschnittsansicht, die den Zustand des beweglichen Elements in einem herkömmlichen Flüssigkeitsausstoßkopf darstellt.
24A, 24B, 24C und 24D zeigen Beispiele von Abwandlungen des Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
25A-1, 25A-2, 25A-3, 25A-4, 25A-5, 25A-6 und 25A-7 und 25B-1, 25B-2, 25B-3, 25B-4, 25B-5, 25B-6 und 25B-7 zeigen erklärende Ansichten der Ausstoßarbeitsweise der Flüssigkeitsausstoßköpfe gemäß einer Abwandlung der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und einer Vergleichsform, wobei der Flüssigkeitsausstoßkopf in einer Schnittansicht längs der Richtung der Flüssigkeitsströmungsbahn gezeigt wird und die charakteristischen Erscheinungen in einer gegliederten Art und Weise dargestellt werden.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden als Nächstes mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
(Erste Ausführungsform)
1 zeigt eine Querschnittsansicht längs einer Richtung der Flüssigkeitsströmungsbahn des Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, 2 zeigt eine Querschnittsansicht längs der 2-2 Linie von 1 und 3 zeigt eine Querschnittsansicht längs der 3-3 Linie, die am Punkt Y1 verschoben ist zur Seite der Oberplatte 2 von der Mitte der Ausstoßöffnung von 1.
Im Flüssigkeitsausstoßkopf mit einer Vielzahl von Flüssigkeitsbahnen und mit einer gemeinsamen Flüssigkeitskammer in der Art wie in den 1 bis 3 gezeigt, ist die Elementunterlage 1 mit der Oberplatte 2 über eine Flüssigkeitsbahnseitenwand 10 in einem Verbundzustand befestigt und eine Flüssigkeitsströmungsbahn 3, deren eines Ende mit einer Ausstoßöffnung 7 verbunden ist, wird zwischen beiden Platten 1 und 2 herausgebildet. Eine Vielzahl von Flüssigkeitsströmungsbahnen 3 sind in einem Kopf angeordnet. Weiterhin ist hinsichtlich der Flüssigkeitsströmungsbahn 3 die Elementunterlage 1 ausgestattet mit einem wärmeerzeugenden Element 4 in Form eines elektrothermisches Elements oder dergleichen als Blasenerzeugungsvorrichtung für die Erzeugung einer Blase in der Flüssigkeit, mit der die Flüssigkeitsströmungsbahn ausgefüllt wird. In einem Umgebungsbereich um eine Oberfläche, an der das wärmeerzeugende Element 4 in Kontakt steht mit der Ausstoßflüssigkeit, gibt es ein Blasenerzeugungsgebiet 11, in dem das wärmeerzeugende Element 4 schnell erwärmt wird und Blasenbildung in der Ausstoßflüssigkeit vorkommt.
Jede der Vielzahl von Flüssigkeitsströmungsbahnen 3 ist mit einer Flüssigkeitsversorgungskammer 5 ausgestattet, die ausgebildet wird durch ein versorgungsbereichbildendes Element 5A, wobei eine gemeinsame Flüssigkeitsversorgungskammer 6 angeordnet ist, daß sie mit jeder Flüssigkeitsversorgungsöffnung 5 verbunden ist. Insbesondere verzweigt sich die Anordnung zu einer Vielzahl von Flüssigkeitsströmungsbahnen 3 von der einzelnen, gemeinsamen Flüssigkeitsversorgungskammer 6 und die Menge der Flüssigkeit, die verbraucht wird für die Flüssigkeit, die von der mit jeder Flüssigkeitsströmungsbahn verbundenen Ausstoßöffnung 7 ausgestoßen wird, wird von der gemeinsamen Flüssigkeitsversorgungskammer 6 erhalten. Der Buchstabe S in 1 bezeichnet die wesentliche Öffnungsfläche, um die Flüssigkeit von der Flüssigkeitsversorgungsöffnung zur Flüssigkeitsströmungsbahn 3 zu liefern.
Zwischen der Flüssigkeitsversorgungsöffnung 5 und der Flüssigkeitsströmungsbahn 3 ist ein bewegliches Element 8 mit einem kleinen Abstand α (z.B. 10 μm oder weniger) im Wesentlichen parallel zur Öffnungsfläche S der Flüssigkeitsversorgungsöffnung 5 angeordnet. Eine Fläche, die mit mindestens einem freien Endabschnitt des beweglichen Elements 8 und beiden verlängerten Seitenabschnitten umgeben ist, ist größer als die Öffnungsfläche S der Flüssigkeitsversorgungsöffnung 5 (siehe 3) und der Seitenabschnitt des beweglichen Elements 8 hat einen kleinen Abstand β zu jeder der beiden Strömungsbahnseitenwände 10 (siehe 2,3). Das obenerwähnte versorgungsbereichbildende Element 5A hat einen Abstand γ zum beweglichen Element 8 wie in 2 gezeigt.
Die Abstände β, γ stimmen nicht mit der Teilung der Strömungsbahn überein, aber das bewegliche Element 8 sperrt die Öffnungsfläche S leicht mit einem großen Abstand γ ab und mit einem großen Abstand β bewegt sich das bewegliche Element 8 leichter zur Seite der Elementunterlage 1 mit dem Schwinden der Blase in einen dann ortsfesten Zustand, in dem das Element mit dem Abstand α positioniert ist. In der vor liegenden Erfindung beträgt der Abstand α 1 μm, der Abstand β 4 μm und der Abstand γ 5 μm. Weiterhin hat das bewegliche Element 8 eine Breite Wl, die größer ist als die Breite der Öffnungsfläche S in einer Richtung der Breite zwischen den Strömungsbahnseitenwänden 10, und weist eine solche Breite auf, daß die Öffnungsfläche S hinreichend abgedichtet wird. Der Abschnitt 8B des beweglichen Elements 8 legt die stromaufwärtsseitigen Endabschnitt der Öffnungsfläche S der Flüssigkeitsversorgungsöffnung 5 fest, in einer verlängerten Linie vom Endabschnitt an der Seite eines freien Endes des aufeinanderfolgenden Abschnitts, durch den eine Vielzahl von beweglichen Elementen fortgesetzt werden, bezüglich einer Richtung, die die Vielzahl von Strömungsbahnen in einem rechten Winkels schneidet (die aufeinanderfolgende Abschnitt ist teilweise getrennt vom Befestigungselement 9 wie in 1 gezeigt) (siehe 3). In der vorliegenden Erfindung, wie in 2 und 3 gezeigt, ist ein Abschnitt des versorgungsbereichbildenden Elements 5A neben dem beweglichen Element 8 dünner eingerichtet als die Seitenwand der Flüssigkeitsströmungsbahn 10 selbst, und das versorgungsbereichbildende Element 5A ist verbunden mit der Strömungsbahnwand 10. Zusätzlich ist die Dicke des versorgungsbereichbildenden Elements 5A auf der Seite der Ausstoßöffnung 7 von einem freien Ende 8A des beweglichen Elements auf die gleiche Dicke festgelegt, wie die der Flüssigkeitsströmungsbahnwand 10 selbst wie in 3 gezeigt. Daher kann das bewegliche Element 8 in der Flüssigkeitsströmungsbahn ohne irgendeinen Reibungswiderstand bewegt werden und die Verschiebung gegen die Öffnungsfläche S kann eingeschränkt werden auf den Randbereich der Öffnungsfläche S. Dadurch wird die Öffnungsfläche S im Wesentlichen geschlossen, so daß eine Flüssigkeitsströmung zur gemeinsamen Flüssigkeitsversorgungskammer 6 aus dem Innern der Flüssigkeitsströmungsbahn 3 verhindert werden kann, währenddessen mit dem Schwinden der Blase eine Bewe gung möglich ist von einem wesentlich abgedichteten Zustand zu einem Zustand, in dem das Nachfüllen auf der Seite der Flüssigkeitsströmungsbahn möglich ist. Außerdem ist das bewegliche Element in der vorliegenden Ausführungsform auch parallel zur Elementunterlage 1 positioniert. Weiterhin ist das Ende 8B des beweglichen Elements 8 ein freies Ende, das auf der Seite des wärmeerzeugenden Elements 4 der Elementunterlage 1 positioniert ist, und das andere Ende wird durch das Befestigungselement 9 aufgenommen. Überdies verschließt das Befestigungselement 9 ein Ende auf der Seite des Flüssigkeitsströmungsbahn 3 gegenüber der Ausstoßöffnung 7.
Weiterhin, wie in 4 gezeigt, gibt es in der vorliegenden Ausführungsform kein Hindernis wie ein Ventil zwischen dem wärmeerzeugenden Element 4 als elektrothermische Wandlerelement und der Ausstoßöffnung 7, so daß ein „linearer Verbindungszustand" erzielt wird, in dem eine lineare Strömungsbahnanordnung bezüglich der Flüssigkeitsströmung erhalten wird. In diesem besonders bevorzugten Fall wird durch die lineare Planierung der Ausbreitungsrichtung einer Druckwelle, die während der Blasenerzeugung in Übereinstimmung mit der Flüssigkeitsströmungsrichtung und Ausstoßrichtung erzeugt wird, ein idealer Zustand vorzugsweise ausgebildet, in dem die Ausstoßrichtung, die Ausstoßgeschwindigkeit und andere Ausstoßzustände des Ausstoßtröpfchens auf einem beträchtlich hohem Niveau stabilisiert werden. In der vorliegenden Erfindung kann als eine Definition für das Erreichen oder das Annähern an einen idealen Zustand die Ausstoßöffnung 7 direkt linear mit dem wärmeerzeugenden Element 4 verbunden werden, insbesondere die Ausstoßöffnungsseite (stromabwärtsgerichtete Seite) des wärmeerzeugenden Elements, die einen Einfluß auf die Blasenausstoßöffnungsseite in einer Anordnung ausübt. Dies ist ein Zustand mit keiner Flüssigkeit in der Strömungsbahn, in der das wärmeerzeugende Element, insbesondere die stromabwärtsgerichtete Seite des wärmeerzeugenden Elements von der Außenseite der Ausstoßöffnung beobachtet werden kann (siehe 4).
Die Ausstoßarbeitsweise des Flüssigkeitsausstoßkopfes der vorliegenden Ausführungsform wird als Nächstes detailliert beschrieben. 5A bis 5D und 6A bis 6C zeigen erklärende Ansichten der Ausstoßarbeitsweise des Flüssigkeitsausstoßkopfes mit dem in den 1 bis 3 gezeigten Aufbau, die den Flüssigkeitsausstoßkopf in einer Schnittansicht längs der Richtung der Flüssigkeitsströmungsbahn darstellen, sowie die charakteristischen Erscheinungen in gegliederten Vorgängen der 5A bis 5D und 6A bis 6C darstellen. Außerdem beschreibt der Buchstabe M in den 5A bis 5D und 6A bis 6C einen Meniskus, der durch die ausgestoßene Flüssigkeit ausgebildet wird.
5A zeigt einen Zustand bevor eine elektrische Energie oder eine andere Energie am wärmeerzeugenden Element angewendet wird und einen Zustand bevor das wärmeerzeugende Element Wärme erzeugt. In diesem Zustand liegt ein geringer Abstand (10 μm oder weniger) zwischen dem beweglichen Element 8, das zwischen der Flüssigkeitsversorgungsöffnung 5 und der Flüssigkeitsströmungsbahn 3 angeordnet ist, und einer herausgebildeten Oberfläche der Flüssigkeitsversorgungsöffnung 5.
5B zeigt, daß ein Teil der Flüssigkeit in der Flüssigkeitsströmungsbahn 3 durch das wärmeerzeugende Element 4 erwärmt wird, Filmverdampfung findet am wärmeerzeugenden Element 4 statt und eine Blase 21 wächst richtungsunabhängig. Hierbei bedeutet „das Blasenwachstum ist richtungsunabhängig", daß die Blasenwachstumsgeschwindigkeit, die senkrecht zur Blasenoberfläche gerichtet ist, eine im Wesentlichen gleiche Größe an jeder beliebigen Position auf der Blasenoberfläche hat.
Beim richtungsunabhängigen Wachstumsvorgang der Blase 21 in einem Anfangsstadium der Blasenerzeugung liegt das bewegliche Element 8 eng am Randabschnitt der Flüssigkeitsversorgungsöffnung 5 an, um die Flüssigkeitsversorgungsöffnung zu verschließen und das Innere der Flüssigkeitsströmungsbahn 3 ist im Wesentlichen in einem abgedichteten Zustand bis auf die Ausstoßöffnung 7. Dieser abgedichtete Zustand wird aufrechterhalten während des gesamten richtungsunabhängigen Wachstumsvorgangs der Blase 21. Zusätzlich kann die Zeitspanne für das Aufrechterhalten des abgedichteten Zustands vom Zeitpunkt des Anlegens einer Steuerspannung an das wärmeerzeugende Element 4 bis zur Beendigung des richtungsunabhängigen Wachstums der Blase 21 gelten. Außerdem wird in diesem abgedichteten Zustand die Trägheit (Schwierigkeiten bei der Bewegung, wenn eine ruhige Flüssigkeit rasch beginnt sich zu bewegen) von einem Mittelpunkt des wärmeerzeugenden Elements 4 zur Flüssigkeitsversorgungsöffnungsseite in der Flüssigkeitsströmungsbahn 3 im Wesentlichen unendlich. In diesem Fall nähert sich die Trägheit vom wärmeerzeugenden Element 4 zur Flüssigkeitsversorgungsöffnungsseite an einen unendlichen Betrag, wenn mehr Abstand zwischen dem wärmeerzeugenden Element 4 und dem beweglichen Element 8 besteht.
5C zeigt, daß die Blase 21 weiter wächst. Wie vorstehend beschrieben, kommt wenn die Flüssigkeitsströmungsbahn 3, außer der Ausstoßöffnung 7, im Wesentlichen in einem abgedichteten Zustand gehalten wird, keine Flüssigkeitsströmung zur Seite der Flüssigkeitsversorgungsöffnung 5 vor. Daher kann unter den Blasen, die richtungsunabhängig am wärmeerzeugenden Element 4 gewachsen sind, die Blase auf der Seite der Flüssigkeitsversorgungsöffnung 5 nicht wachsen, so daß die Blasenwachstumsenergie nur durch das Blasenwachstum auf der Seite der Ausstoßöffnung 7 verbraucht wird.
Hierbei wird der Vorgang des Blasenwachstums detailliert in den 5A bis 5C beschrieben mit Bezug auf die 7A bis 7E. Wie in 7A gezeigt, tritt eine anfängliche Verdampfung am wärmeerzeugenden Element auf, sobald das wärmeerzeugende Element erwärmt wird, und anschließend wechselt die Verdampfung, wie in 7B gezeigt, zu einer Filmverdampfung, bei dem das wärmeerzeugende Element mit einer filmartigen Blase bedeckt ist. Danach setzt die Blase im Filmverdampfungszustand ihr richtungsunabhängiges Wachstum wie in den 7B und 7C gezeigt fort (dieser richtungsunabhängige Blasenwachstumszustand wird als Halbkissenzustand bezeichnet). Ferner wird, wenn das Innere der Flüssigkeitsströmungsbahn 3 im Wesentlichen im abgedichteten Zustand ist, ausgenommen die Ausstoßöffnung 7, wie in 5B gezeigt, die Flüssigkeitsbewegung zur stromaufwärtsgerichteten Seite unmöglich, der Teil der Blase auf der Stromaufwärtsseite (Seite der Flüssigkeitsversorgungsöffnung) in der Halbkissenblase wächst nicht, und nur die verbleibende Abschnitt auf der Stromabwärtsseite (Seite der Ausstoßöffnung) wächst. Diese Zustand wird in den 5C, 7D und 7E gezeigt.
Der Zweckmäßigkeit in der Beschreibung wege , wird, wenn das wärmeerzeugende Element 4 beheizt wird, eine Fläche, innerhalb der keine Blase auf dem wärmeerzeugenden Element 4 wächst, als ein Gebiet B bezeichnet, und eine Fläche auf der Seite der Ausstoßöffnung 7, innerhalb der die Blase wächst, wird als Gebiet A bezeichnet. Zusätzlich wird das Blasenvolumen während des richtungsunabhängigen Blasenwachstums im Gebiet B maximiert.
Als nächstes zeigt 7D, daß sich das Blasenwachstum im Gebiet A fortsetzt und eine Blasenschrumpfung im Gebiet B beginnt. In diesem Zustand wächst die Blase größtenteils in Richtung der Seite der Ausstoßöffnung im Gebiet A. Außerdem beginnt das Blasenvolumen sich im Gebiet B zu verringern. Dadurch beginnt das bewegliche Element 8 sich abwärts zu verschieben zu einer ortsfesten Zustandsposition, entsprechend seiner Wiederherstellungskraft durch Starrheit und der Kraft des Blasenschwindens im Gebiet B. Folglich öffnet sich die Flüssigkeitsversorgungsöffnung 5 und die gemeinsame Flüssigkeitsversorgungskammer 6 wird in einen Verbindungszustand mit der Flüssigkeitsströmungsbahn 3 versetzt.
6A zeigt, daß die Blase 21 im Wesentlichen auf ein Maximum gewachsen ist. In diesem Zustand wächst die Blase bis zu einem Maximum im Gebiet A und entsprechend schwindet die Blase im Wesentlichen im Gebiet B. Ferner zieht sich das Ausstoßtröpfchen, das von der Ausstoßöffnung 7 auszustoßen ist, in die Länge und ist immer noch mit dem Meniskus M verbunden. Wie in der Zeichnung gezeigt, ist das maximale Blasenvolumen der Blase Vo.
6B zeigt, daß die Blase 21 das Wachstum beendet und in einem Zustand eines bloßen Blasenschwundvorgangs ist, wobei das Ausstoßtröpfchen 22 vom Meniskus M abgeschnitten wird. Sofort nachdem das Blasenwachstum zum Blasenschwund im Gebiet A übergeht, wirkt eine Schrumpfungsenergie der Blase 21 als Kraft für die Bewegung der Flüssigkeit in die Umgebung der Ausstoßöffnung 7 in eine Stromaufwärtsrichtung als eine Gesamtbilanz. Daher wird der Meniskus M zu diesem Zeitpunkt von der Ausstoßöffnung 7 in die Flüssigkeitsströmungsbahn 3 eingezogen und eine flüssige Säule, die mit dem Ausstoßflüssigkeitströpfchen 22 verbunden ist, wird schnell durch eine starke Kraft abgeschnitten. Auf der anderen Hand wird das bewegliche Element 8 während der Blasenschrumpfung nach unten bewegt und die Flüssigkeit fließt schnell als eine große Strömung von der gemeinsamen Flüssigkeitsversorgungskammer 6 über die Flüssigkeitsversorgungsöffnung 5 in die Flüssigkeitsströmungsbahn 3. Dadurch, da die Strömung für den schnellen Einzug des Meniskus M in die Flüssigkeitsströmungsbahn 3 stark verringert wird, verkleinert sich der Rückzugsbetrag des Meniskus M, und der Meniskus M beginnt mit einer relativ geringen Geschwindigkeit zur der Position vor der Blasenbildung zurückzukehren. Folglich ist die konvergierende Eigenschaft der Schwingung des Meniskus M sehr zufriedenstellend verglichen mit der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung, die nicht mit dem beweglichen Element der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist. Hierbei wird, wie in der Zeichnung gezeigt, eine Ausstoßmenge gleich Vd, ein maximaler Rückzugsbetrag des Meniskus als Einzugsvolumen von der Ausstoßöffnung zu einer Flüssigkeitsoberfläche, die maximal in die Flüssigkeitsströmungsbahn eingezogen ist, wird als Vm bezeichnet, und eine Flüssigkeitsmenge, die sich in die Flüssigkeitsströmungsbahn 3 bewegt, wenn das freie Ende des beweglichen Elements 8 seine Abwärtsbewegung beginnt bis der Rückzugsbetrag des Meniskus M maximal ist, ist Vr. Überdies wird strenggenommen der Rückzugsbetrag des Meniskus M maximiert, wenn das Schwinden der Blase 21 beendet ist, aber die Blase 21 schwindet durch die Flüssigkeitsströmung in die Flüssigkeitsströmungsbahn 3 von der gemeinsamen Flüssigkeitsversorgungskammer 6 über die Flüssigkeitsversorgungsöffnung 5 vom Zustand, wie in 6B gezeigt, bis die Blase 21 schwindet, und der Rückzugsbetrag des Meniskus M im Zustand, wie in 6B gezeigt, kann im Wesentlichen als maximaler Meniskus-Rückzugsbetrag Vm betrachtet werden.
6C zeigt, daß die Blase 21 vollständig schwindet und das bewegliche Element 8 ebenfalls zurückkehrt zur Position des ortsfesten Zustandes. Das bewegliche Element 8 wird aufwärts zu dieser Lage verschoben durch seine elastische Kraft (die Richtung des durchgezogenen Pfeils in 6B). Ferner kehrt in diesem Zustand der Meniskus M bereits zur Umgebung der Ausstoßöffnung 7 zurück.
Wie aus der obigen Beschreibung und den 5A bis 5D und 6A bis 6C ersichtlich, hindert zuerst das bewegliche Element 8 die Flüssigkeit vor dem Strömen in Richtung der Flüssigkeitsversorgungsöffnung 5 in einer Zeitspanne, wenn die Blase richtungsunabhängig im Anfangsstadium der Blasenerzeugung wächst. Zudem, wenn die ausgestoßene Flüssigkeit die Ausstoßöffnung verläßt, um zu fliegen, beginnt bereits das Schwinden der Blase, das bewegliche Element 8 wird zu dieser Zeit nach unten verschoben und die Flüssigkeit strömt in die Flüssigkeitsströmungsbahn 3 aus der gemeinsamen Flüssigkeitsversorgungskammer 6 über die Flüssigkeitsversorgungsöffnung 5.
Speziell, da die Flüssigkeit nach innen zu fließen beginnt bevor sie sich von der Flüssigkeitssäule löst, wird das maximale Meniskusrückzugsvolumen Vm kleiner als das Volumen, das auf die Ausstoßmenge Vd der fliegenden Flüssigkeit zurückzuführen ist.
Daher wird die folgende Beziehung aufgestellt. Vd > Vm ... (1)
Dies bedeutet, daß der Meniskus schnell zurückkehrt, und dies kann die Nachfüllfrequenz verbessern.
Vom Beginn der Abwärtsverschiebung des freien Endes des beweglichen Elements 8 bis zum Erreichen eines maximalen Rück zugsbetrags des Meniskus wird außerdem die Differenz zwischen der Ausstoßmenge Vd der fliegenden Flüssigkeit und dem maximalen Meniskusrückzugsvolumen Vm nicht größer als die Menge Vr der Flüssigkeit, die in die Flüssigkeitsströmungsbahn 3 fließt.
Daher wird die folgende Beziehung aufgestellt. Vd – Vm ≤ Vr ... (2)
Mit Bezug auf die 25A-1 bis 25A-7 und 25B-1 bis 25B-7 wird als Nächstes beschrieben, daß die Aufstellung der Beziehung Vd > Vm, wie vorstehend beschrieben, die Rückkehr des Meniskus M beschleunigt.
25A-1 bis 25A-7 zeigen Ansichten des Flüssigkeitsausstoßkopfes in einem Schnitt längs der Richtung der Flüssigkeitsströmungsbahn gemäß einer Abwandlung der vorliegenden Ausführungsform, in der die Beziehung Vd > Vm gilt, und 25B-1 bis 25B-7 zeigen Ansichten des Flüssigkeitsausstoßkopfes in einem Schnitt längs der Richtung der Flüssigkeitsströmungsbahn gemäß einer Vergleichsform, in der die Beziehung Vd' > Vm' gilt. Der Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß der vorliegenden Abwandlung unterscheidet sich vom Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß der Vergleichsform durch die Positionen der wärmeerzeugenden Elemente 4, 4'. Außerdem wird der Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß der vorliegenden Abwandlung mit den gleichen Steuerbedingungen angetrieben wie die für den Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß der Vergleichsform. Ferner stimmen die Zustände der in den 25A-1 bis 25A-7 und 25B-1 bis 25B-7 gezeigten Flüssigkeitsausstoßköpfe im Wesentlichen mit den Zuständen der in den 5A bis 5D und 6A bis 6C gezeigten Flüssigkeitsausstoßköpfe überein.
Hier ist, wenn der in 25A-6 gezeigte Zustand des Flüssigkeitsausstoßkopfes mit dem in 25B-6 gezeigten verglichen wird, der maximale Meniskusrückzugsbetrag Vm im Wesentlichen gleich dem Betrag Vm', aber die Ausstoßmenge Vd im Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß der vorliegenden Abwandlung, gezeigt in 25A-6 ist größer als die Ausstoßmenge Vd' im Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß der Vergleichsform wie in 25B-6 gezeigt. Dies bedeutet, daß, da beide Steuerbedingungen gleich sind, die Ausstoßleistungsfähigkeit des Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß der vorliegenden Abwandlung, größer ist als die des Flüssigkeitsausstoßkopfes gemäß der Vergleichsform. Daher kann ferner gesagt werden, daß durch die Auswahl der Steuerbedingungen, derart, daß beide Ausstoßmengen gleich sind, der maximale Rückzugsbetrag des Meniskus beim Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß der vorliegenden Abwandlung kleiner wird als der beim Flüssigkeitsausstoßkopf der Vergleichsform. Folglich kehrt der Meniskus im Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß der vorliegenden Abwandlung, in der die Beziehung Vd > Vm gilt, schneller zurück als im Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß der Vergleichsform, in dem die Beziehung Vd' > Vm' gilt. Also bedeutet das Bestehen der Beziehung Vd > Vm die schnelle Rückkehr des Meniskus M.
Die Wechselbeziehung zwischen der Veränderung des Blasenvolumens und der Zeit in den Gebieten A und B, wie in den 5A bis 5D und 6A bis 6C gezeigt, und das Verhalten des beweglichen Elements wird als Nächstes mit Bezug auf 8 beschrieben. 8 ist ein Diagramm, das diese Wechselbeziehung zeigt, Kurve A zeigt die Veränderung des Blasenvolumens mit der Zeit im Gebiet A und Kurve B zeigt die Veränderung des Blasenvolumens mit der Zeit im Gebiet B.
Wie in 8 gezeigt, zieht die Veränderung des Blasenvolumens mit der Zeit im Gebiet A eine Parabel mit einem maxima len Wert auf. Speziell das Blasenvolumen nimmt im Verlaufe der Zeit vom Start der Blasenbildung bis zum Schwinden der Blase zu, erreicht zu einem bestimmten Zeitpunkt das Maximum und verringert sich anschließend. Hinsichtlich des Gebiets B verglichen mit dem Gebiet A ist andererseits die Zeit, die vom Beginn der Blasenbildung bis zum Blasenschwund erforderlich ist, kurz, das maximale Wachstumsvolumen der Blase ist klein und die Zeit bis das Wachstumsvolumen das Maximum erreicht ist ebenfalls kurz. Speziell unterscheidet sich das Gebiet A stark vom Gebiet B durch die Zeit, die erforderlich ist vom Beginn der Blasenbildung bis zum Blasenschwund und durch die Volumenänderung des Blasenwachstums, wobei diejenigen des Gebiets B kleiner sind.
Insbesondere überlagert in 8 die Kurve A die Kurve B, da das Blasenvolumen im Anfangsstadium der Blasenerzeugung mit der gleichen Zuwachsrate zunimmt. Speziell wird im Anfangsstadium der Blasenerzeugung eine Zeitspanne verursacht, in der die Blase richtungsunabhängig wächst (im Halbkissenzustand). Danach steigt die Kurve A bis zu einem maximalen Wert an, die Kurve B zweigt jedoch an einem bestimmten Zeitpunkt von der Kurve A ab, mit einem Kurvenverlauf bei dem das Blasenvolumen abnimmt. Speziell wird eine Zeitspanne erzeugt, in der das Blasenvolumen im Gebiet A zunimmt, aber im Gebiet B abnimmt (eine Zeitspanne des teilweisen Wachstums und teilweisen Schrumpfens).
Weiterhin zeigt das bewegliche Element folgendes Verhalten in einem Modus, in dem ein Teil des wärmeerzeugenden Elements bedeckt ist vom freien Ende des beweglichen Elements, basierend auf der obenerwähnte Art des Blasenwachstum, wie in 1 gezeigt. Im Speziellen wird das bewegliche Element aufwärts in Richtung der Flüssigkeitsversorgungsöffnung innerhalb der Periode (1) von 8 verschoben. In der Peri ode (2) von 8 liegt das bewegliche Element eng an der Flüssigkeitsversorgungsöffnung an, wobei das Innere der Flüssigkeitsströmungsbahn mit Ausnahme der Ausstoßöffnung im Wesentlichen in einem abgedichteten Zustand ist. Der abgedichtete Zustand beginnt in der Periode, in der die Blase richtungsunabhängig wächst. Als Nächstes wird in der Periode (3) von 8 das bewegliche Element abwärts in Richtung der ortsfesten Zustandsposition verschoben. Die Öffnung der Flüssigkeitsversorgungsöffnung durch das bewegliche Element beginnt nachdem eine feste Zeit vergangen ist, nach dem Beginn der Zeitspanne des teilweisen Wachstums und teilweisen Schrumpfens. Anschließend wird das bewegliche Element in der Periode (4) von 8 weiter nach unten vom ortsfesten Zustand verschoben. Als Nächstes, in der Periode (5) von 8, stoppt die Abwärtsbewegung des beweglichen Elements im Wesentlichen, wobei das bewegliche Element in einem Gleichgewichtszustand in seiner geöffneten Position ist. Schließlich, in einer Periode (6) von 8, wird das bewegliche Element nach oben in Richtung der ortsfesten Zustandsposition verschoben.
Die Wechselbeziehung zwischen dem Blasenwachstum und dem Verhalten des beweglichen Elements wird durch die relativen Positionen des beweglichen Elements und des wärmeerzeugenden Elements beeinflußt. Hier wird die Wechselbeziehung zwischen dem Blasenwachstum und dem Verhalten des beweglichen Elements im Flüssigkeitsausstoßkopf, der ausgestattet ist mit dem beweglichen Element und dem wärmeerzeugenden Element in relativen Positionen, die sich von den Positionen der vorliegenden Form unterscheiden, als Nächstes beschrieben mit Bezug auf die 9A, 9B, 10A und 10B.
9A und 9B zeigen erklärende Ansichten der Wechselbeziehungen zwischen dem Blasenwachstum und dem Verhalten des be weglichen Elements in einem Modus, in dem das gesamte wärmeerzeugende Element bedeckt ist mit dem freien Ende des beweglichen Elements, 9A zeigt den Modus und 9B zeigt ein Diagramm der Wechselbeziehung. Wenn die Fläche des wärmeerzeugenden Elements, die mit dem beweglichen Element bedeckt ist, wie beim Modus in 9A gezeigt, groß ist, ist die Periode (1) von 9B zeitlich kurz im Vergleich mit dem Modus von 1, und es ist mehr zu bevorzugen, wenn das wärmeerzeugende Element in den abgedichteten Zustand gestellt wird kurz nachdem es erhitzt wurde. Zusätzlich ist das Verhalten des beweglichen Elements in den jeweiligen Perioden (1) bis (6) von 9B das gleiche wie die Verhaltensweisen, die mit Bezug auf 8 beschrieben wurden. Da das bewegliche Element leicht durch die Blasenvolumenabnahme beeinflußt wird, wie beim Startpunkt der Periode (3) von 9B zu sehen ist, beginnt außerdem im Modus von 9A die Öffnung der Flüssigkeitsversorgungsöffnung durch das bewegliche Element sofort nach dem Beginn der Zeitspanne des teilweisen Wachstums und teilweisen Schrumpfens. Insbesondere ist die Öffnungszeit des beweglichen Elements schnell im Vergleich zum Modus in 1. Aus ähnlichen Gründen wird die Amplitude des beweglichen Elements 8 vergrößert.
10A und 10B zeigen erklärende Ansichten der Wechselbeziehung zwischen dem Blasenwachstum und dem Verhalten des beweglichen Elements in einem Modus, in dem das wärmeerzeugende Element sich abseits vom beweglichen Element befindet, 10A zeigt den Modus und 9B zeigt ein Diagramm der Wechselbeziehung. Wenn das wärmeerzeugende Element sich abseits vom beweglichen Element befindet, wie durch den Modus in 10A gezeigt, wird das bewegliche Element nicht leicht durch die Verringerung des Blasenvolumens beeinflußt, und wie durch den Startpunkt der Periode (3) von 10B zu sehen ist, beginnt die Öffnung der Flüssigkeitsversorgungsöffnung durch das bewegliche Element beträchtlich später nach dem Beginn der Periode des teilweisen Wachstums und teilweisen Schrumpfens. Speziell die Öffnungszeit des beweglichen Elements ist langsam im Vergleich mit dem Modus von 1. Aus ähnlichen Gründen wird die Amplitude des beweglichen Elements verringert. Weiterhin sind die Verhaltensweisen des beweglichen Elements in den jeweiligen Perioden (1) bis (6) von 10B die gleichen wie die Verhaltensweisen, die mit Bezug auf 8 beschrieben wurden.
Ferner wird die allgemeine Arbeitsweise für die Lagebeziehung zwischen dem beweglichen Element 8 und dem wärmeerzeugenden Element 4 beschrieben, wobei die jeweiligen Arbeitsweisen sich durch die Lage des freien Endes des beweglichen Elements, der Starrheit des beweglichen Elements und dergleichen unterscheiden.
Der Kopfaufbau und die Arbeitsweise des Flüssigkeitsausstoßes der vorliegenden Ausführungsform wurden vorstehend beschrieben, und gemäß der Form sind die Wachstumskomponenten zur stromabwärtsgerichteten und stromaufwärtsgerichteten Seite der Blase nicht einheitlich, die meisten der Wachstumskomponenten in Richtung der stromaufwärtsgerichteten Seite werden beseitigt und die Bewegung der Flüssigkeit zur stromaufwärtsgerichteten Seite wird gehemmt. Da die Flüssigkeitsströmung zur stromaufwärtsgerichteten Seite gehemmt wird, sind die meisten der Blasenwachstumskomponenten auf der stromaufwärtsgerichteten Seite ohne Verlust zur Ausstoßöffnung gerichtet, so daß die Ausstoßkraft beträchtlich erhöht wird. Ferner verringert sich der Rückzugsbetrag des Meniskus nach dem Ausstoß, wobei sich entsprechend der Betrag des Meniskus, der während des Wiederauffüllens aus der Öffnungsoberfläche hervorsteht, ebenfalls verringert. Daher wird eine Meniskusschwingung gehemmt und es kann ein stabiles Ausstoßen bei einer beliebigen Steuerfrequenz von niedrigen Frequenzen bis zu hohen Frequenzen durchgeführt werden.
Als Nächstes wird ein Beispiel des Herstellungsverfahrens mit Bezug auf die 11A bis 11D, 12A bis 12C und 13A bis 13C beschrieben, bei dem das bewegliche Element 8, die Wand der Flüssigkeitsströmungsbahn 10 und die Flüssigkeitsversorgungsöffnung 5 auf der Elementunterlage 1, wie in den 1 bis 3 gezeigt, angeordnet sind.
11A bis 11D, 12A bis 12C und 13A bis 13C zeigen zudem den Vorgang durch eine Schnittansicht längs einer Richtung, die die Richtung der Flüssigkeitsströmungsbahn, die auf der Elementunterlage ausgebildet ist, im rechten Winkel kreuzt.
Zunächst wird in 11A eine Al-Schicht auf einer Oberfläche zur der Seite des wärmeerzeugenden Elements 4 der Elementunterlage 1 in einer Dicke von etwa 2 μm durch ein Sputter-Verfahren ausgebildet. Die ausgebildete Al-Schicht wird mit Strukturen („Muster" wäre auch möglich) versehen, indem ein bekanntes photolithographische Verfahren verwendet wird, und eine Vielzahl von Al-Schichtstrukturen 25 werden in Positionen ausgebildet, die sich mit denen der wärmeerzeugenden Elemente decken. Jede der Al-Schichtstrukturen 25 erstreckt in einem Gebiet, in dem eine SiN-Schicht 26 als eine Materialschicht für die teilweise Ausbildung des Befestigungselements 9 und der Seitenwand der Strömungsbahn 10 in einem Prozeß geätzt wird, der in 11C später beschrieben wird.
Die Al-Schichtstruktur 25 dient als eine Ätzstoppschicht während der Ausbildung der Flüssigkeitsströmungsbahn 3 durch Trockenätzung wie später beschrieben. Dies kommt daher, weil eine TiW-Schicht als eine Polsterschutzschicht in der Elementunterlage 1, eine Ta-Schicht als hohlraumresistente Schicht und eine SiN-Schicht als eine Schutzschicht auf dem Widerstand geätzt werden durch Ätzgas für die Ausbildung der Flüssigkeitsströmungsbahn 3, wobei die Ätzung dieser Schichten oder Filme durch die Al-Schichtstruktur 25 verhindert wird. Daher ist eine Breite entlang der Richtung, die die Strömungsbahnrichtung der Flüssigkeitsströmungsbahn 3 in der Al-Schichtstruktur in einem rechten Winkel kreuzt, größer einzurichten als die Breite der endgültig gebildeten Flüssigkeitsströmungsbahn 3, so daß verhindert wird, daß die Oberfläche der Elementunterlage 1 auf der Seite des wärmeerzeugenden Elements 4 oder die TiW-Schicht auf der Elementunterlage 1 während der Formung der Flüssigkeitsströmungsbahn 3 durch Trockenätzung freigelegt ist.
Ferner werden während der Trockenätzung Ionenarten und Radikale durch die Zersetzung von CF₄-, C_xF_y- und SF₆-Gas erzeugt, und das wärmeerzeugende Element 4 und Funktionselement der Elementunterlage 1 werden in einigen Fällen beschädigt, aber die Al-Schichtstruktur nimmt diese Ionenarten und Radikale auf, um das wärmeerzeugende Element 4 und Funktionselement der Elementunterlage 1 zu schützen.
Anschließend wird, wie in 11B gezeigt, die SiN-Schicht 26 mit einer Dicke von etwas 20,0 μm als Materialschicht für die Ausbildung eines Teils der Seitenwand der Strömungsbahn 10 gebildet, indem ein Plasma-CVD-Verfahren auf der Oberfläche der Al-Schichtstruktur 25 und der Oberfläche der Elementunterlage 1 auf der Seite der Al-Schichtstruktur 25 angewendet wird, um die Al-Schichtstruktur 25 zu bedecken.
Danach wird, wie in 11C gezeigt, nachdem eine Al-Schicht auf der gesamten Oberfläche der SiN-Schicht 26 ausgebildet wurde, durch die Verwendung von Photolithographie oder anderen bekannten Verfahren zur Strukturierung der gebildeten Al-Schicht, die Al-Schicht (nicht gezeigt) in einem Bereich der Oberfläche der SiN-Schicht 26 ausgebildet, den Bereich für die Ausbildung der Flüssigkeitsströmungsbahn 3 ausgenommen.
Anschließend wird ein Teil der Seitenwand für die Strömungsbahn 10 ausgebildet, indem eine Ätzvorrichtung verwendet wird, die ein dielektrisches Bindungsplasma anwendet, um die SiN-Schicht 26 zu ätzen. In der Ätzvorrichtung wird die SiN-Schicht 26 geätzt durch die Verwendung eines Gasgemisches aus Cf₄, O₂, SF₆ oder dergleichen und die Verwendung der Al-Schichtstruktur 25 als Ätzstoppschicht. Die Materialzusammensetzungen des eng anliegenden Bereichs des Stützelements 9 des beweglichen Elements 8 und die Elementunterlage 1 enthalten TiW als Materialbestandteil der Polsterschutzschicht und Ta als Materialbestandteil der hohlraumresistenten Schicht der Elementunterlage 1.
Anschließend wird, wie in 11D gezeigt, eine Al-Schicht 27 mit einer Dicke von 20,0 μm auf der Oberfläche der SiN-Schicht 26 durch ein Sputter-Verfahren ausgebildet, und ein Loch, das in der Vorbehandlung durch das Ätzen der SiN-Schicht 26 als Bereich für die Ausbildung der Flüssigkeitsströmungsbahn 3 ausgebildet wurde, wird mit Al ausgefüllt.
Außerdem werden, wie in 12A gezeigt, die Oberflächen der SiN-Schicht 26 und der Al-Schicht 27 auf der Unterlage 1, gezeigt in 11D, durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP) glatt poliert.
Anschließend wird, wie in 12B gezeigt, nach der Ausbildung einer Al-Schicht 28 durch das Sputter-Verfahren in einer Dicke von etwa 2,0 μm auf den Oberflächen der SiN-Schicht 26 und der Al-Schicht 27, die durch das CMP-Verfahren poliert wurden, die ausgebildete Al-Schicht 28 strukturiert durch die Verwendung des bekannten photolithographischen Verfahrens. Die Struktur der Al-Schicht 28 wird ausgedehnt bis zu einem Gebiet, in dem eine SiN-Schicht 29 in einem später in 12C beschriebenen Verfahren geätzt wird, als Materialschicht für die Ausbildung eines Fundamentbereiches (oder Befestigungsbereiches), um einen Verbindungsbereich des beweglichen Elements 8 und des Stützelements auszubilden. Die Al-Schicht 28 dient als Ätzstoppschicht während der Ausbildung des beweglichen Elements 8 durch Trockenätzung wie später beschrieben. Insbesondere wird vermieden, daß die SiN-Schicht 26 als Teil der Flüssigkeitsströmungsbahn 3 geätzt wird durch das Ätzgas, das zur Ausbildung des beweglichen Elements 8 verwendet wird.
Als nächstes wird, wie in 12C dargestellt, eine SiN-Schicht mit einer Dicke von etwa 3,0 μm als Materialschicht für die Ausbildung des beweglichen Elements 8 auf der Oberfläche der Al-Schicht 28 gebildet, indem das Plasma-CVD-Verfahren verwendet wird. Anschließend wird die ausgebildete SiN-Schicht trockengeätzt, indem die Ätzungsvorrichtung verwendet wird, die das dielektrisches Bindungsplasma anwendet, um die SiN-Schicht 29 an der Stelle stehenzulassen, die der Al-Schicht 28 als ein Teil der Flüssigkeitsströmungsbahn 3 entspricht. Das durch die Ätzungsvorrichtung verwendete Verfahren ähnelt dem des Verfahrens in 11C. Da die SiN-Schicht 29 schließlich das bewegliche Element 8 bildet, ist die Breite längs der Richtung, die die Strömungsbahnrichtung der Flüssigkeitsströmungsbahn 3 in der Struktur der SiN- Schicht kreuzt, kleiner als die Breite der endgültig ausgebildeten Flüssigkeitsströmungsbahn 3.
Anschließend wird, wie in 13A gezeigt, eine Al-Schicht mit einer Dicke von 3,0 μm als Materialschicht für die Ausbildung eines abstandbildenden Elements 30 auf der Oberfläche der Al-Schicht 28 durch das Sputter-Verfahren ausgebildet, um die SiN-Schicht 29 zu bedecken. Durch die Verwendung des bekannten photolithographischen Verfahrens, das in der Vorbehandlung die Al-Schicht für die Ausbildung der Al-Schicht 28 strukturiert hat, wird das abstandbildende Element 30 für die Ausbildung des Abstands α zwischen der oberen Oberfläche des beweglichen Elements 8 und der Flüssigkeitsversorgungsöffnung 5 und der Abstand β zwischen dem Seitenbereich des beweglichen Elements 8 und der Seitenwand der Strömungsbahn 10, wie in 2 gezeigt, auf der Oberfläche und Seitenoberfläche der SiN-Schicht 29 ausgebildet.
Als Nächstes wird auf der SiN-Schicht 26, wie in 13B gezeigt, durch Rotationsbeschichtung ein negatives photosensitives Epoxidharz 31 aufgetragen, das aus dem in der folgenden Tabelle gezeigten Material besteht, mit einer Dicke auf der Unterlage von 30,0 μm, wobei das abstandsbildende Element 30 der Al-Schicht enthalten ist. Außerdem kann im obenerwähnten Rotationsbeschichtungsverfahren das Epoxidharz 31 als ein Teil der Seitenwand der Strömungsbahn 10, mit der die Oberplatte 2 verbunden ist, eben aufgetragen werden.
[Tabelle 1]
Anschließend wird, wie in der obigen Tabelle 1 gezeigt, nachdem eine heiße Platte für die Durchführung des Vorbrennens des Epoxidharzes 31 bei Bedingungen von 90 °C und fünf Minuten verwendet wird, eine Belichtungsvorrichtung (hergestellt durch Cannon Inc.: MPA600) verwendet, um das Epoxidharz 31 einer Belichtung mit einem Belichtungslichtbetrag in einer vorbestimmten Struktur von 2 J/cm2 auszusetzen. Für das negative Epoxidharz wird der belichtete Bereich konserviert und der nichtbelichtete Bereich wird nicht haltbar gemacht. Daher wird nur das Gebiet, das den Bereich für die Ausbildung der Flüssigkeitsversorgungsöffnung 5 ausschließt, durch das obenerwähnten Belichtungsverfahren belichtet. Anschließend wird, nach der Ausbildung des Lochbereichs für die Herausbildung der Flüssigkeitsversorgungsöffnung 5 durch die Verwendung der obenerwähnten Entwicklerflüssigkeit, das eigentliche Brennen bei Bedingungen von 200 °C und einer Stunde durchgeführt. Die Öffnungsfläche des Lochbereichs zur Ausbildung der Flüssigkeitsversorgungsöffnung 5 wird so ein gerichtet, daß sie kleiner ist als die Fläche der SiN-Schicht 29, um das bewegliche Element 8 auszubilden.
Schließlich wird, wie in 13C gezeigt, eine Säuremischung aus essigsaurer Säure, Phosphorsäure und Salpetersäure verwendet, um die Al-Schichten 25, 27, 28 und 30 zu erhitzen/ätzen, wobei diese Schichten aufgelöst und abtransportiert werden und die Flüssigkeitsversorgungsöffnung 5, das bewegliche Element 8, das Stützelement 9 und die Seitenwand der Strömungsbahn 10 auf der Elementunterlage 1 ausgebildet werden. Danach wird Wasserstoffperoxid verwendet, um Bereiche zu entfernen entsprechend des wärmeerzeugenden Elements (blasenerzeugende Vorrichtung) 4 und aufgefüllt von der TiW-Schicht als Füllschutzschicht ausgebildet auf der Unterlage 1. Der eng anliegende Abschnitt der Elementunterlage 1 und der Seitenwand der Strömungsbahn 10 enthalten ebenfalls TiW als Materialzusammensetzung der Polsterschutzschicht und Ta als Materialzusammensetzung der hohlraumresistenten Schicht der Elementunterlage 1.
Durch Bindung der Oberplatte 2, die mit der großvolumigen gemeinsamen Flüssigkeitskammer 6 versehen ist, die gleichzeitig in Verbindung steht mit den jeweiligen Flüssigkeitsversorgungsöffnungen 5 zur Elementunterlage 1, mit dem beweglichen Element 8, der Seitenwand der Strömungsbahn 10 und der Flüssigkeitsversorgungsöffnung 5, die darauf wie vorstehend beschrieben ausgebildet sind, wurde der Flüssigkeitsausstoßkopf, wie in den 1 bis 3 gezeigt, präpariert.
Eine Abwandlung der obenerwähnten Kopfart wird als Nächstes mit Bezug auf die 24A bis 24D beschrieben.
Im Flüssigkeitsausstoßkopf der in den 24A bis 24D gezeigten Art ist die Elementunterlage 1 mit der Oberplatte 2 verbunden, und die Flüssigkeitsströmungsbahn 3, deren eines Ende mit der Ausstoßöffnung 7 verbunden ist, wird zwischen beiden Platten 1 und 2 ausgebildet.
In der Flüssigkeitsströmungsbahn 3 sind die Flüssigkeitsversorgungsöffnung 5 und die gemeinsame Flüssigkeitsversorgungskammer 6, die mit der Flüssigkeitsversorgungsöffnung 5 verbunden ist, angeordnet.
Zwischen der Flüssigkeitsversorgungsöffnung 5 und der Flüssigkeitsströmungsbahn 3 ist das bewegliche Element 8 im Wesentlichen parallel zur Öffnungsfläche der Flüssigkeitsversorgungsöffnung 5 mit einem geringen Abstand α (z.B. 10 μm oder weniger) angeordnet. Die Fläche, die umgeben ist von mindestens dem freien Endabschnitt des beweglichen Elements 8 und beide Seitenabschnitten verlängert ist größer als die Öffnungsfläche S der Flüssigkeitsversorgungsöffnung 5 zur Flüssigkeitsströmungsbahn, und der Seitenabschnitt des beweglichen Elements 8 hat den geringen Abstand β von der Seitenwand der Flüssigkeitsströmungsbahn 10. Dadurch kann das bewegliche Element 8 in der Flüssigkeitsströmungsbahn 3 ohne irgendeinen Reibungswiderstand bewegt werden, während die Verschiebung zur Seite der Öffnungsfläche im Randbereich der Öffnungsfläche S eingeschränkt werden kann, und die Flüssigkeitsversorgungsöffnung 5 im Wesentlichen verschlossen wird, so daß die Flüssigkeitsströmung zur gemeinsamen Flüssigkeitsversorgungskammer 6 aus der Flüssigkeitsströmungsbahn 3 verhindert werden kann. Außerdem ist das bewegliche Element in der vorliegenden Ausführungsform gegenüber der Elementunterlage 1 angeordnet.
Weiterhin ist ein Ende des beweglichen Elements 8 ein freies Ende, das auf die Seite des wärmeerzeugenden Elements 4 der Elementunterlage 1 verschoben ist, wobei das andere Ende durch das Stützelement 9 gehalten wird.
(Ausführungsform 2)
Im vorstehend erwähnten Herstellungsverfahren wurde der Herstellungsarbeitsablauf für die Anordnung des beweglichen Elements 8, der Seitenwand der Strömungsbahn 10 und der Flüssigkeitsversorgungsöffnung 5 auf der Elementunterlage 1 beschrieben, aber dies ist nicht darauf beschränkt, da ein Arbeitsablauf verwendet werden kann, bei dem die Oberplatte 2, auf der das bewegliche Element 8 und die Flüssigkeitsversorgungsöffnung 5 ausgebildet sind, im Voraus mit der Elementunterlage 1, auf der die Seitenwand der Strömungsbahn 10 ausgebildet ist, verbunden wird.
Ein Beispiel für den Herstellungsarbeitsablauf wird nachstehend mit Bezug auf die 14A bis 14D, 15A, 15B und 16 beschrieben. Die 14A bis 14D, 15A und 15B zeigen den Arbeitsablauf durch eine Schnittansicht längs einer Richtung, die die Richtung der Flüssigkeitsströmungsbahn, die auf der Elementunterlage ausgebildet ist, im rechten Winkel kreuzt. 16 zeigt eine Querschnittsansicht des schematischen Aufbaus des Flüssigkeitsausstoßkopfes, in dem die gemäß 14A bis 14D, 15A und 15B präparierte Oberplatte verwendet wird. Außerdem werden in der Beschreibung die gleichen Bezugsziffern für die gleichen Aufbauelemente verwendet wie die in der ersten Ausführungsform.
Zuerst wird, wie in 14A gezeigt, eine Oxidschicht (SiO₂) 35 in einer Dicke von etwa 1,0 μm auf einer Oberfläche der Oberplatte 2, die aus Si-Material besteht, ausgebildet. Anschließend wird die ausgebildete SiO₂-Schicht 35 strukturiert, indem das bekannte lithographische Verfahren verwendet wird, um die SiO₂-Schicht entsprechend der auszu bildenden Stelle der Flüssigkeitsversorgungsöffnung 5, wie 16 zeigt, zu entfernen.
Als Nächstes wird, wie in 14B gezeigt, ein abstandbildendes Element 36, das aus einer Al-Schicht besteht, in einer Dicke von etwa 3,0 μm aufgetragen, um den beseitigten Bereich der SiO₂-Schicht auf der Oberfläche der Oberplatte 2 und den Randbereich abzudecken. Das abstandsbildende Element 36 wird verwendet, um den Abstand zwischen der Flüssigkeitsversorgungsöffnung 5 und dem beweglichen Element 8 auszubilden, der im Vorgang von 15B später beschrieben wird.
Anschließend wird, wie in 14C gezeigt, auf der gesamten Oberfläche der SiO₂-Schicht 35 und des abstandsbildenden Elements 36 durch die Verwendung des Plasma-CVD-Verfahrens eine SiN-Schicht 37 mit einer Dicke von etwa 3,0 μm als Materialschicht für die Herausbildung des beweglichen Elements 8 aufgetragen, um das abstandsbildende Element 36 zu bedecken.
Anschließend wird, wie in 14D gezeigt, in Bezug auf die SiN-Schicht 37 das bekannte photolithographische Verfahren verwendet, um das bewegliche Element 8 zu strukturieren. Danach wird das abstandsbildende Element als Ätzstoppschicht verwendet, um die Ätzung auf der Oberplatte aus Si durchzuführen (Dicke von 625 μm), wobei die gemeinsame Flüssigkeitsversorgungskammer ausgebildet wird. Danach wird eine Säuremischung aus essigsaurer Säure, Phosphorsäure und Salpetersäure verwendet, um die Al-Schicht als abstandbildendes Element 36 zu erhitzen/ätzen, wobei die Schicht aufgelöst und abtransportiert wird. In der obenerwähnten Struktur wird ein Abstand β, der 2 μm oder größer ist, angeordnet zwischen dem beweglichen Bereich 37a, der das bewegliche Element 8 ausbildet, und einem Stützbereich 37b in der SiN-Schicht 37.
Weiterhin wird, wie im Vorgang von 15A später beschrieben, um die Flüssigkeitsversorgungsöffnung 5 in Übereinstimmung mit dem beweglichen Element 8 auszubilden, im beweglichen Bereich 37a in der SiN-Schicht 37 eine Vielzahl von Schlitzen 37c bevorzugt in 1 μm Größe ausgebildet, die die Oberfläche und Rückseite durchqueren. Außerdem ist die Projektionsfläche des beweglichen Bereichs 37a größer als die Öffnungsfläche (die beseitigte Fläche der SiO₂-Schicht 35), welche die Flüssigkeitsversorgungsöffnung ausbildet.
Anschließend wird, wie in 15A gezeigt, auf der einen Oberfläche der Si-Oberplatte 2 der beseitigte Bereich der SiO₂-Schicht über die Schlitze 37 des beweglichen Bereichs 37a einer richtungsabhängigen Naßätzung ausgesetzt, wobei die Flüssigkeitsversorgungsöffnung 5 ausgebildet wird.
Schließlich wird, wie in 15B gezeigt, in Bezug auf das beim obenerwähnten Vorgang ausgebildete Material das LPCVD-Verfahren verwendet, um eine SiN-Schicht 38 mit einer Dicke von etwa 0,5 μm auszubilden, wobei der Schlitz 37c, der im beweglichen Element 8 geöffnet ist, mit der SiN-Schicht 38 ausgefüllt wird. In diesem Fall wird, da der Abstand des Schlitzes 37c 1 μm oder weniger beträgt, der Schlitz 37c verschlossen, aber der Abstand β zwischen dem beweglichen Bereich 37a und dem Stützbereich 37b beträgt 2 μm oder mehr, so daß der Abstand β nicht verschlossen wird durch die SiN-Schicht 38. Überdies wird ebenfalls die Silizium-Seitenwand, die durch das richtungsabhängige Ätzen oder das Durchätzen der Si-Oberplatte ausgebildet wurde, mit dem SiN-Schicht durch die LPCVD-Verfahren beschichtet, so daß Korrosion durch die Tinte verhindert wird.
Durch die Anordnung der großvolumigen gemeinsamen Flüssigkeitsversorgungskammer 6, die gleichzeitig verbunden ist mit den entsprechenden Flüssigkeitsversorgungsöffnungen 5 auf der Seite der Oberplatte 2, mit dem beweglichen Element 8 und der darauf angeordneten Flüssigkeitsversorgungsöffnung 5, und die Bindung der Oberplatte an die Elementunterlage 1, die eine Strömungsbahnwand für die Ausbildung der Flüssigkeitsströmungsbahn 3 aufweist, deren eines Ende mit der Ausstoßöffnung 7 verbunden ist und deren anderes Ende geschlossen ist, wurde der Flüssigkeitsausstoßkopf wie in 16 gezeigt präpariert. Selbst der Flüssigkeitsausstoßkopf dieser Form stellt eine ähnliche Wirksamkeit zur Verfügung wie der Flüssigkeitsausstoßkopf der in den 1 bis 3 gezeigten Anordnung.
(Ausführungsform 3)
17 zeigt eine Querschnittsansicht des Flüssigkeitsausstoßkopfes eines sogenannten Seitenschießtyps gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der Beschreibung werden die gleichen Bezugsziffern für die gleichen Aufbauelemente verwendet wie die in der ersten Ausführungsform. Der Flüssigkeitsausstoßkopf dieser Form unterscheidet sich von dem der ersten Ausführungsform dadurch, daß das wärmeerzeugende Element 4 der Ausstoßöffnung 7 auf einer parallelen Fläche, wie in 17 gezeigt, gegenüberliegt und die Flüssigkeitsströmungsbahn 3 im rechten Winkel mit der axialen Richtung längs der Ausstoßrichtung der Flüssigkeit aus der Ausstoßöffnung 7 verbunden ist. Auch in diesem Flüssigkeitsausstoßkopf wird eine Wirksamkeit bereitgestellt, die auf einem ähnlichen Ausstoßprinzip beruht wie die der ersten Ausführungsform, wobei das in den Ausführungsformen 1 und 2 beschriebene Herstellungsverfahren leicht angewendet werden kann.
(Andere Ausführungsformen)
Verschiedene für den Kopf bevorzugte Formbeispiele, die das obenerwähnte Flüssigkeitsausstoßprinzip verwenden, werden nachfolgend beschrieben.
<Bewegliches Element>
In der obigen Ausführungsform ist die Materialzusammensetzung des beweglichen Elements nicht eingeschränkt, so lange das Material eine chemische Beständigkeit gegenüber einem Lösungsmittel in Bezug auf die Ausstoßflüssigkeit und eine Elastizität aufweist, um zufriedenstellend als bewegliches Element betrieben zu werden.
Beispiele für das Material des beweglichen Elements enthalten vorzugsweise: Metalle wie Silber, Nickel, Gold, Eisen, Titanium, Aluminium, Platin, Tantal, rostfreien Stahl und Phosphor, Bronze und Legierungen der Metalle; oder Harze mit Nitrogruppen wie Acrylnitril, Butadien, und Styren, Harze mit Amidgruppen wie Polyamid, Harze mit Karboxylgruppen wie Polykarbonat, Harze mit Aldehydgruppen wie Polyacetat, Harze mit Sulfongruppen wie Polysulfon andere Harze wie Flüssigkristallpolymer und Verbindungen der Harze, stark tintenbeständige Metalle wie Gold, Wolfram, Tantal, Nickel, rostfreier Stahl und Titanium, Legierungen dieser Materialien und Materialien, deren Oberflächen in Bezug auf Tintenbeständigkeit beschichtet sind; oder Harze mit Amidgruppen wie Polyamid, Harze mit Aldehydgruppen wie Polyacetat, Harze mit Ketongruppen wie Polyethylenethylketon, Harze mit Imidgruppen wie Polyimid, Harze mit Hydroxylgruppen wie Phenolharz, Harze mit Äthylengruppen wie Polyäthylen, Harze mit Alkylgruppen wie Polypropylen, Harze mit Epoxidgruppen wie Epoxidharz, Harze mit Aminogruppen wie Melaminharz, Harze mit Methylgruppen wie Xylenharz, und Verbindungen der Harze; und weiterhin Keramiken wie Siliziumdioxid, Siliziumnitrid und Verbindungen der Keramiken. Das bewegliche Element in der vorliegenden Erfindung weist eine Dicke in der Größenordnung von Mikrometern auf.
Das Anordnungsverhältnis des wärmeerzeugenden Elements und des beweglichen Elements wird als Nächstes beschrieben. Durch die optimale Anordnung des wärmeerzeugenden Elements und des beweglichen Elements wird die Flüssigkeitsströmung während der Blasenerzeugung durch das wärmeerzeugende Element hinreichend gesteuert und wirkungsvoll genutzt werden.
Bei der herkömmlichen Technik des Tintenstrahlaufzeichnungsverfahrens, bei der Wärme oder eine andere Energie auf die Tinte anwendet wird, so daß eine Zustandsänderung verursacht wird, die mit einer starken Volumenänderung (Blasenerzeugung) in der Tinte einhergeht, die Tinte aus der Ausstoßöffnung durch eine Krafteinwirkung aufgrund der Zustandsänderung ausgestoßen wird und die Tinte auf einem Aufzeichnungsmedium gebunden wird, um eine Bild auszubilden, ein sogenanntes Blasenstrahlaufzeichnungsverfahren, steht, wie in 18 durch eine gestrichelte Linie gezeigt, die Fläche des wärmeerzeugenden Elements in einem proportionalen Verhältnis zur Tintenausstoßmenge, es ist jedoch sichtbar, daß dabei ein nicht für Blasenbildung wirksames Gebiet S vorkommt, das nicht zum Tintenausstoß beiträgt. Außerdem ist anhand des Brandfleckenzustandes auf dem wärmeerzeugenden Element sichtbar, daß das nicht für die Blasenbildung wirksame Gebiet rund um das wärmeerzeugende Element besteht. Diese Ergebnisse zeigen, daß eine Breite von etwa 4 μm um das wärmeerzeugende Element nicht an der Blasenbildung beteiligt ist. Andererseits wird im Flüssigkeitsausstoßkopf der vorliegenden Erfindung die Flüssigkeitsströmungsbahn mit der Blasenerzeugungsvorrichtung im Wesentlichen abgeschirmt, ausgenommen die Ausstoßöffnung, so daß die maximale Ausstoß menge eingestellt wird, wie in 18 durch eine durchgezogene Linie gezeigt, wobei ein Gebiet auftritt, in dem sich die Ausstoßmenge sogar bei beträchtlichen Vergrößerungen der Fläche des wärmeerzeugenden Elements und des Blasenbildungsvolumens nicht ändert, so daß die Ausstoßmenge von großen Punkten durch die Ausnutzung dieses Gebiets stabilisiert werden kann.
Ferner wird, um den obenerwähnten, im Wesentlichen abgedichteten Raum zufriedenstellend auszubilden, ein Abstand zwischen dem beweglichen Element und dem wärmeerzeugenden Element im Ruhezustand bevorzugt bei 10 μm oder weniger eingestellt.
<Elementunterlage>
Der Aufbau der Elementunterlage 1, die ausgestattet ist mit dem wärmeerzeugenden Element 4 für die Einwirkung von Wärme auf die Flüssigkeit, wird nachfolgend beschrieben.
19A und 19B zeigen Querschnittsansichten des Hauptteils des Flüssigkeitsausstoßapparats der vorliegenden Erfindung. 19A zeigt den Kopf mit einer Schutzschicht, die später beschrieben wird und 19B zeigt den Kopf ohne die Schutzschicht.
Die Oberplatte 2 ist auf der Elementunterlage 1 angeordnet, wobei die Flüssigkeitsströmungsbahn 3 zwischen der Elementunterlage 1 und der Oberplatte 2 ausgebildet wird.
Für die Elementunterlage 1 wird eine Siliziumoxidschicht oder eine Siliziumnitridschicht 106 für Zwecke der Isolierung und Wärmespeicherung auf die Unterlage 107 aus Silizium oder dergleichen aufgetragen und auf der Schicht wird eine elektrische Widerstandsschicht 105 (Dicke von 0,01 bis 0,2 μm) aus Hafniumborid (HfB₂), Tantalnitrid (TaN), Tantalaluminium (TaAl) oder dergleichen und eine Verdrahtungselektrode 104 (Dicke von 0,2 bis 1,0 μm) aus Aluminium oder dergleichen strukturiert, um das wärmeerzeugende Element 4, wie in 19A gezeigt, aufzubauen. Durch das Anlegen von Spannung an der Widerstandsschicht 105 von der Verdrahtungselektrode 104 und dem Stromfluß durch die Widerstandsschicht 105 wird Wärme erzeugt. Ein Schutzfilm 103 aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder dergleichen wird mit einer Dicke von 0,1 bis 2,0 μm auf der Widerstandsschicht 105 zwischen den Verdrahtungselektroden ausgebildet, und ferner wird auf dem Film eine hohlraumbeständige Schicht 102 aus Tantal oder dergleichen ausgebildet (Dicke von 0,1 bis 0,6 μm), so daß die Widerstandsschicht 105 vor verschiedenen Flüssigkeiten wie z.B. Tinte geschützt ist.
Insbesondere sind die Drücke und Stoßwellen, die durch die Blasenbildung und -schrumpfung erzeugt werden, so stark, daß sich die Lebensdauer des harten und spröden Oxidfilms beträchtlich verschlechtert, daher werden Metallmaterialien wie Tantal (Ta) als hohlraumbeständige Schicht 102 verwendet.
Außerdem braucht für die obenerwähnte Widerstandsschicht 105 auch kein Schutzfilm 103 erforderlich zu sein durch Kombination von Flüssigkeit, Strömungsbahnaufbau und Widerstandsmaterial, und ein Beispiel solch eines Aufbaus ist in 19B dargestellt. Als Material für die Widerstandsschicht 105, die keinen Schutzfilm 103 erfordert, dient zum Beispiel eine Iridium-Tantal-Aluminium-Legierung und dergleichen.
Wie vorstehend beschrieben kann das wärmeerzeugende Element 4 in den obenerwähnten jeweiligen Ausführungen nur aus der Widerstandsschicht 105 (Wärmeerzeuger) zwischen den Elektro den 104 aufgebaut sein, oder kann den Schutzfilm 103 enthalten, um die Widerstandsschicht 105 zu schützen.
In den jeweiligen Ausführungsformen wird der Wärmeerzeuger, der aus der Widerstandsschicht 105 aufgebaut ist, welche Wärme als Antwort auf ein elektrisches Signal erzeugt, als wärmeerzeugendes Element 4 verwendet, aber dies ist nicht darauf beschränkt, und der Aufbau kann Blasen erzeugen, die hinreichend sind für das Ausstoßen der Ausstoßflüssigkeit in einer blasenbildenden Flüssigkeit. Zum Beispiel kann das wärmeerzeugende Element ein photothermisches Wandlerelement aufweisen, das Laser oder ein anderes Licht empfängt, um die Wärme zu erzeugen oder einen Wärmeerzeuger, der eine hohe Frequenz empfängt, um die Wärme zu erzeugen.
Zusätzlich können für die Elementunterlage 1, die außer dem wärmeerzeugenden Element 4 die Widerstandsschicht 105, die den obenerwähnten Wärmeerzeuger bildet, und die Verdrahtungselektrode 104 zur Lieferung des elektrischen Signals zur Widerstandsschicht 105 enthält, die Funktionselemente wie Transistor, Diode, Latch und Schieberegister für die selektive Ansteuerung des wärmeerzeugenden Elements 4 (elektrothermisches Wandlerelement) einheitlich durch einen Halbleiterherstellungsverfahren ausgebildet werden.
Um den Wärmeerzeuger des wärmeerzeugenden Elements 4, das auf der Elementunterlage wie vorstehend beschrieben angeordnet ist, anzusteuern und die Flüssigkeit auszustoßen, wird durch die Verwendung eines Rechteckimpulses an der Widerstandsschicht 105 über die Verdrahtungselektrode 104, wie in 20 gezeigt, die Widerstandsschicht 105 zwischen den Verdrahtungselektroden 104 befähigt, die Wärme schnell zu erzeugen. Im obenerwähnten Kopf der jeweiligen Ausführungsformen wird durch die Anwendung einer Spannung von 24 V, ei ner Pulsbreite von 7 μs, eines Stromes von 150 mA und eines elektrischen Signals von 6 kHz um das wärmeerzeugende Element anzusteuern, die Tinte als die Flüssigkeit aus der Ausstoßöffnung 7 durch die obenerwähnte Arbeitsweise ausgestoßen. Die Ansteuersignalbedingungen sind jedoch nicht auf diese beschränkt, und ein Steuersignal, das ausreichend Blasen in der blasenbildenden Flüssigkeit erzeugen kann, darf verwendet werden.
<Ausstoßflüssigkeit>
Unter den Flüssigkeiten kann die Tinte mit einer Zusammensetzung, die in einer herkömmlichen Blasenstrahlvorrichtung benutzt wird, als Flüssigkeit für die Verwendung zur Aufzeichnung (Aufzeichnungsflüssigkeit) verwendet werden.
Als Eigenschaft der Ausstoßflüssigkeit hemmt außerdem die Ausstoßflüssigkeit wunschgemäß nicht das Ausstoßen, die Blasenbildung, die Arbeitsweise des beweglichen Elements oder dergleichen.
Eine hochviskose Tinte oder dergleichen kann als Aufzeichnungsausstoßflüssigkeit verwendet werden.
In der vorliegenden Erfindung wird eine Tinte der folgenden Zusammensetzung als Aufzeichnungsflüssigkeit verwendet, die in der Ausstoßflüssigkeit benutzt werden kann, und die Aufzeichnung wird durchgeführt, aber die Tintenausstoßgeschwindigkeit wird durch die Vergrößerung der Ausstoßkraft erhöht, und daher wird die erreichte Präzision der Flüssigkeitströpfchen verbessert, so daß ein sehr zufriedenstellendes aufgezeichnetes Bild erhalten werden kann.
[Tabelle 2]
<Flüssigkeitsausstoßapparat>
21 zeigt schematisch den Aufbau einer Tintenstrahlaufzeichnungsvorrichtung als ein Beispiel für einen Flüssigkeitsausstoßapparat, auf der der Flüssigkeitsausstoßkopf mit einem Aufbau, wie er in den Ausführungsformen 1 bis 3 beschrieben wurde, angebracht und verwendet werden kann. Eine Kopfkassette 601, die wie in 21 gezeigt auf der Tintenstrahlaufzeichnungsvorrichtung 600 angeordnet ist, enthält den Flüssigkeitsausstoßkopf mit dem obenerwähnten Aufbau und einen Flüssigkeitscontainer für die Aufbewahrung der Flüssigkeit, die für den Flüssigkeitsausstoßkopf geliefert wird. Wie in 21 gezeigt, ist die Kopfkassette 601 auf einem Schlitten 607 angeordnet, der geführt wird in einer helixförmigen Nut 606 des Führungsgewindes 605, das sich über die Antriebskraft-Übertragungszahnräder 603 und 604 mit Hilfe der Vorwärts-/Rückwärtsdrehung des Antriebsmotors 602 dreht. Durch die Energie des Antriebsmotors 602 fährt/bewegt sich die Kopfkassette 601 hin und her zusammen mit dem Schlitten 607 entlang einer Führung 608 in die Richtungen a und b. Die Tintenstrahlaufzeichnungsvorrichtung 600 weist eine Aufzeichnungsmediumbeförderungsvorrichtung auf (nicht gezeigt) für die Beförderung eines Druckblattes P als Aufzeichnungsmedium, das die Tinte oder eine andere Flüssigkeit empfängt, die von der Kopfkassette 601 ausgestoßen wurde. Eine Blattspannplatte 610 des Druckblattes P, das auf einer Walze 609 durch die Aufzeichnungsmediumbeförderungsvorrichtung beför dert wird, drückt das Druckblatt P an die Walze 609 über die Bewegungsrichtung des Schlittens 607.
Die Photokupplungen 611 und 612 sind in der Nähe des einen Endes des Führungsgewindes 605 angeordnet. Die Photokupplungen 611 und 612 sind Ruhestellung feststellende Vorrichtungen für das Bestätigen der Anwesenheit eines Hebels 607a des Schlittens 607 in einem Gebiet der Photokupplungen 611 und 612, um die Drehrichtung des Antriebsmotors 602 zu schalten. In der Umgebung des einen Endes der Walze 609 ist ein Stützelement 613 angeordnet für die Aufnahme eines Kappenelements 614, das die Frontoberfläche der Ausstoßöffnung der Kopfkassette abdeckt. Außerdem ist eine Tintenansaugvorrichtung 615 angeordnet, welche die Tinte ansaugt, die im Kappenelement 614 durch das Entleeren des Auslaßes der Kopfkassette 601 gespeichert wird. Saugwiederherstellung der Kopfkassette 601 wird über ein Öffnen des Kappenelements 614 durch die Tintenansaugvorrichtung 615 durchgeführt.
Die Tintenstrahlaufzeichnungsvorrichtung 600 ist mit einem Hauptkörpertragelement 619 ausgestattet. Das Hauptkörpertragelement 619 trägt ein bewegliches Element 618, so daß sich das Element vorwärts und rückwärts bewegen kann, das heißt in eine Richtung, die sich im rechten Winkel zur Bewegungsrichtung des Schlittens 607 erstreckt. Eine Reinigungsklinge 617 ist am beweglichen Element 618 angebracht. Die Reinigungsklinge 617 ist nicht auf diese Form begrenzt, so daß eine bekannte Reinigungsklinge einer anderen Form verwendet werden kann. Ferner ist ein Hebel 620 für das Starten des Saugens in einem Saugwiederherstellungsvorgang durch die Tintenansaugvorrichtung 615 angeordnet, wobei sich der Hebel durch die Bewegung eines Nockens 621 bewegt, der geführt wird durch den Schlitten 607, und eine Antriebskraft des Antriebsmotors 602 wird für die Bewegung durch bekannte Über tragungsmittel wie z.B. durch eine Kupplungsschaltung gesteuert. Ein Tintenstrahlaufzeichnungsregler für das Anlegen eines Signals an das wärmeerzeugende Element, das an der Kopfkassette 601 angebracht ist, oder für das Durchführen der Antriebssteuerung des obenerwähnten jeweiligen Mechanismus ist angeordnet auf der Hauptkörperseite der Aufzeichnungsvorrichtung, wobei dies nicht in 21 gezeigt ist.
In der Tintenstrahlaufzeichnungsvorrichtung 600, die den obenerwähnten Aufbau aufweist, fährt/bewegt sich die Kopfkassette 601 über die gesamte Breite des Druckblattes P in Bezug auf das Druckblatt P, das auf der Walze 609 durch die Aufzeichnungsmediumbeförderungsvorrichtung befördert wird, hin und her. Wenn das Steuersignal zur Kopfkassette 601 von der Steuersignalversorgungsvorrichtung (nicht gezeigt) während der Bewegung geliefert wird, stößt der Flüssigkeitsausstoßkopfabschnitt als Antwort auf das Signal die Tinte (Aufzeichnungsflüssigkeit) auf das Aufzeichnungsmedium aus, so daß die Aufzeichnung durchgeführt wird.
22 zeigt ein Blockdiagramm der gesamten Aufzeichnungsvorrichtung für das Durchführen von Tintenstrahlaufzeichnung durch den Flüssigkeitsausstoßapparat der vorliegenden Erfindung.
Die Aufzeichnungsvorrichtung empfängt die Druckinformation als Steuersignal vom Zentralcomputer 300. Die Druckinformation wird temporär in einer Eingangsschnittstelle 301 innerhalb der Druckvorrichtung gespeichert, in Daten umgewandelt, die in der Aufzeichnungsvorrichtung weiterverarbeitet werden können und in eine Central Processing Unit (CPU) eingegeben, die auch als Signalversorgungsvorrichtung für den Kopfantrieb dient. Die CPU nutzt Peripherieeinheiten wie z.B. Direktzugriffspeicher (RAM) 304, um die in die CPU 302 einge gebenen Daten weiterzuverarbeiten, die aufgrund eines Steuerprogramms in einem Nur-Lesespeicher (ROM) 303 gespeichert wurden, und wandelt die Daten in Daten um, die gedruckt werden können (Bilddaten).
Um die Bilddaten an einer geeigneten Stelle auf dem Aufzeichnungsblatt aufzuzeichnen, arbeitet die CPU 302 außerdem Steuerdaten für die Ansteuerung des Antriebsmotors 602 auf, so daß das Aufzeichnungsblatt und der Schlitten 607 mit der darauf angebrachten Kopfkassette 601 synchron mit den Bilddaten bewegt werden. Die Bilddaten und die Motorsteuerungsdaten werden zur Kopfkassette 601 und zum Antriebsmotor 602 jeweils über einen Kopftreiber 307 und einen Motortreiber übertragen, so daß der Motor durch eine gesteuerte Zeitgebung angetrieben wird, um ein Bild zu erzeugen.
Als Aufzeichnungsmedium 150, das in der Aufzeichnungsvorrichtung verwendet wird und auf das die Flüssigkeit wie z.B. Tinte aufgetragen wird, können verschiedene Papiersorten oder OHP-Folien, Plastikmaterialien für die Verwendung in Compact Discs, Dekorfolien und dergleichen, Gewebe, Metallmaterialien solcherart wie Aluminium und Kupfer, Lederarten solcherart wie Ochsen-/Kuhhaut, Schweinsleder und Kunstleder, Holzmaterialien solcherart wie Holz und Sperrholz, Bambusmaterialien, keramische Materialien solcherart wie Ziegeln, dreidimensionale Strukturmaterialien solcherart wie ein Schwamm und dergleichen verwendet werden.
Darüber hinaus enthält die Aufzeichnungsvorrichtung eine Druckervorrichtung für das Aufzeichnen auf verschiedenen Papierarten, OHP Folien und dergleichen, eine Plastikaufzeichnungsvorrichtung für das Aufzeichnen auf Plastikmaterialien solcherart wie Compact Disc, eine Metallaufzeichnungsvorrichtung für das Aufzeichnen auf Metallblech, eine Lederauf zeichnungsvorrichtung für das Aufzeichnen auf Leder, eine Holzmaterialaufzeichnungsvorrichtung für das Aufzeichnen auf Holzmaterialien, eine Keramikaufzeichnungsvorrichtung für das Aufzeichnen auf Keramikmaterial, eine Aufzeichnungsvorrichtung für das Aufzeichnen auf dreidimensionalen Netzstrukturmaterialien solcherart wie ein Schwamm, eine Textildruckvorrichtung für das Aufzeichnen auf Gewebe, und dergleichen.
Außerdem können als Ausstoßflüssigkeiten für die Verwendung im Flüssigkeitsausstoßapparat Flüssigkeiten verwendet werden, die an das Aufzeichnungsmedium und die Aufzeichnungsbedingungen angepaßt sind.
Auswirkung der Erfindung
Wie vorstehend beschrieben, wird in der vorliegenden Erfindung mit Hilfe des Aufbaus und in der zeitlichen Periode des im Wesentlichen richtungsunabhängigen Wachstums der Blase im Anfangsstadium der Blasenerzeugung durch die Blasenerzeugungsvorrichtung der Verbindungszustand zwischen der Flüssigkeitsströmungsbahn und der Flüssigkeitsversorgungsöffnung unmittelbar durch das bewegliche Element abgesperrt, wobei das Innere der Flüssigkeitsströmungsbahn im Wesentlichen in einen abgedichteten Zustand versetzt wird, ausgenommen die Ausstoßöffnung, und der größte Teil der Druckwelle durch das Blasenwachstum im Blasenbildungsgebiet auf die Ausstoßöffnungsseite gerichtet wird, ohne sich zur Flüssigkeitsversorgungsöffnung oder Flüssigkeitsversorgungskammer auszubreiten, so daß die Ausstoßleistung schnell („stark" wäre hier von der Logik das bessere Adverb) erhöht werden kann. Überdies kann, selbst wenn eine hochviskose Aufzeichnungsflüssigkeit verwendet wird, um die Flüssigkeit auf dem Aufzeichnungsblatt oder dergleichen mit einer hohen Geschwindigkeit zu binden oder Verschmierungen an der Grenze von Schwarz und anderen Farben zu beseitigen, die hochviskose Tinte zufrie denstellend ausgestoßen werden durch eine starke Erhöhung der Ausstoßleistung. Ferner vergrößert sich der Tintenverdickungsbereich in der Ausstoßöffnung mit der Änderung der Umgebung während der Aufzeichnung, insbesondere unter einer Umgebungsbedingung mit niedriger Temperatur und niedriger Luftfeuchtigkeit, so daß die Tinte nicht normal ausgestoßen wird zu Beginn der Verwendung, in der vorliegenden Erfindung kann die Tinte jedoch von Anfang an zufriedenstellend ausgestoßen werden. Da die Ausstoßleistung schnell vergrößert wurde, ist es darüber hinaus möglich, die Größe des wärmeerzeugenden Elements für die Verwendung als Blasenerzeugungsvorrichtung zu verringern und die Energie zu vermindern, die für den Ausstoß aufgewendet werden muß.
Ferner wird das bewegliche Element während der Blasenschrumpfung in Richtung der Blasenerzeugungsvorrichtung verschoben, so daß die Flüssigkeit schnell als eine große Strömung in die Flüssigkeitsströmungsbahn aus der gemeinsamen Flüssigkeitsversorgungskammer über die Flüssigkeitsversorgungsöffnung einfließt. Da sich die Strömung für den schnellen Einzug des Meniskus M in die Flüssigkeitsströmungsbahn schnell verringert, verringert sich dadurch der Rückzugsbetrag des Meniskus in der Ausstoßöffnung nach dem Ausstoßen des flüssigen Tröpfchens. Folglich ist die Zeit für die Rückkehr des Meniskus in seinen Anfangszustand nach dem Ausstoßen sehr gering, das heißt, daß die Zeit für das vollständig Wiederauffüllen einer festen Tintenmenge in die Flüssigkeitsströmungsbahn kurz ist, so daß sogar die Ausstoßfrequenz (Steuerfrequenz) ebenfalls stark erhöht werden kann zur Durchführung eines hochpräzisen (Festbetrag) Tintenausstoßes.
Es ist ein Flüssigkeitsausstoßkopf offenbart, der aufweist:
eine Vielzahl von Ausstoßöffnungen für das Ausstoßen einer Flüssigkeit, eine Vielzahl von Flüssigkeitsströmungsbahnen, deren einer Endabschnitt immer verbunden ist mit jeder der Ausstoßöffnungen und die ein blasenerzeugendes Gebiet für die Erzeugung einer Blase in der Flüssigkeit aufweisen, eine Blasenerzeugungsvorrichtung für die Erzeugung einer Energie, um die Blase zu bilden und wachsen zu lassen, eine Vielzahl von Flüssigkeitsversorgungsöffnungen, die in den Flüssigkeitsströmungsbahnen angeordnet sind zur Verbindung mit einer gemeinsamen Flüssigkeitsversorgungskammer, und ein bewegliches Element, das ein freies Ende aufweist mit einem geringen Abstand in Bezug zur Flüssigkeitsströmungsbahn der Flüssigkeitsversorgungsöffnung, so daß eine Aufzeichnung eines qualitativ hochwertigen Bildes bei einer hohen Geschwindigkeit erreicht wird. Wenn das Volumen eines Flüssigkeitströpfchens, das vom Ausstoßkopf ausgestoßen wird, Vd beträgt und während des Ausstoßens der Flüssigkeit aus der Ausstoßöffnung das Einzugsvolumen von der Ausstoßöffnung bis zu einer flüssigen Oberfläche, die maximal in die Flüssigkeitsströmungsbahn eingezogen ist, Vm beträgt, wird eine Beziehung Vd > Vm hergestellt. Daher kehrt der Meniskus schnell zurück und die Wiederauffüllfrequenz kann erhöht werden.

Claims

Flüssigkeitsausstoßkopf, der aufweist: eine Vielzahl von Ausstoßöffnungen (7) für das Ausstoßen einer Flüssigkeit; eine Vielzahl von Flüssigkeitsströmungsbahnen (3), deren einer Endabschnitt immer verbunden ist mit jeder der Ausstoßöffnungen (7) und die einen blasenerzeugenden Bereich für die Erzeugung einer Blase in der Flüssigkeit aufweisen, eine Blasenerzeugungsvorrichtung (4) für die Erzeugung von Energie, um Blasen hervorzurufen und wachsen zu lassen, eine Vielzahl von Flüssigkeitsversorgungsöffnungen (5), die in der Vielzahl von Flüssigkeitsströmungsbahnen (3) angeordnet sind, für die Verbindung zu einer gemeinsamen Flüssigkeitsversorgungskammer (6); und ein bewegliches Element, das ein freies Ende aufweist, das in einem geringen Abstand (α) zu der Seite der Flüssigkeitsströmungsbahn (3) der Flüssigkeitsversorgungsöffnung (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bereich, der mit mindestens einem freien Endabschnitt des beweglichen Elements und beiden von dem freien Endabschnitten weitergeführten Seitenabschnitten umgeben ist, größer ist als ein Öffnungsbereich (5) zur Flüssigkeitsströmungsbahn (3) der Flüssigkeitsversorgungsöffnung (5) und das bewegliche Element den Öffnungsbereich (S) abdichtet und absperrt, nachdem eine Steuerspannung auf die Blasenerzeugungsvorrichtung (4) angewendet wird zu der Zeit, bei der das richtungsunabhängige Wachstum der ganzen durch die Blasenerzeugungsvorrichtung erzeugten Blase beendet ist, wobei das bewegliche Element die Verschiebung auf der Seite der Blasenerzeugungsvorrichtung (4) in der Flüssigkeitsströmungsbahn (3) beginnt, so daß die Flüssigkeitsversorgung zur Flüssigkeitsströmungsbahn (3) von der gemeinsamen Flüssigkeitsversorgungskammer (6) ermöglicht wird, nachdem das bewegliche Element den Öffnungsbereich (S) abdichtet und absperrt, während ein Teil der Blase, die durch die Blasenerzeugungsvorrichtung (4) auf der Seite der Ausstoßöffnung (7) erzeugt wurde, wächst, wobei das bewegliche Element derart ausgebildet ist, daß, wenn das Volumen des von der Ausstoßöffnung (7) ausgestoßenen Flüssigkeitströpfchens Vd ist, und während des Ausstoßens der Flüssigkeit aus der Ausstoßöffnung (7) das von der Ausstoßöffnung (7) von einer Flüssigkeitsoberfläche maximal in die Flüssigkeitsströmungsbahn (3) eingezogene Einzugsvolumen Vm ist, eine Beziehung Vd >Vm hergestellt wird.
Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß Anspruch 1, wobei das bewegliche Element ebenfalls einen Abstand zu einer Flüssigkeitsbahnwand hat, um die Flüssigkeitströmungsbahn (3) auszubilden.
Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß Anspruch 1, wobei der geringe Abstand (α) zwischen dem beweglichen Element und der Flüssigkeitsversorgungsöffnung (5) etwa 10 μm oder weniger beträgt.
Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß Anspruch 1, wobei die Ausstoßöffnung (7) und die Blasenerzeugungsvorrichtung (4) eine geradlinige Verbindungslage aufweisen.
Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß Anspruch 1, wobei die Richtung des Flüssigkeitsausstoßes aus der Ausstoßöffnung (7) und die Lot-Richtung der Oberfläche, die mit der Blasenerzeugungsvorrichtung erzeugt wurde, sich gegenseitig in einem rechten Winkel kreuzen.
Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß Anspruch 1, wobei die Ausstoßöffnung (7) der Blasenerzeugungsvorrichtung gegenüberliegt.
Flüssigkeitsausstoßapparat, der aufweist: einen Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß Anspruch 1 und eine Aufzeichnungsmediumbeförderungsvorrichtung zum Befördern eines Aufzeichnungsmediums für die Aufnahme einer von einem Flüssigkeitsausstoßkopf ausgestoßenen Flüssigkeit.
Flüssigkeitsausstoßapparat gemäß Anspruch 7, wobei der Flüssigkeitsausstoßkopf die Tinte ausstößt und die Tinte an das Aufzeichnungsmedium 150 bindet, um eine Aufzeichnung durchzuführen.
Flüssigkeitsausstoßverfahren, das einen Flüssigkeitsausstoßkopf verwendet und folgendes aufweist: eine Vielzahl von Ausstoßöffnungen (7) für das Ausstoßen einer Flüssigkeit; eine Vielzahl von Flüssigkeitsströmungsbahnen (3), deren einer Endabschnitt immer verbunden ist mit jeder der Ausstoßöffnungen (7) und die einen blasenerzeugenden Bereich für die Erzeugung einer Blase in der Flüssigkeit aufweisen; Blasenerzeugungsvorrichtung (4) für die Erzeugung von Energie, um Blasen hervorzurufen und wachsen zu lassen; eine Vielzahl von Flüssigkeitsversorgungsöffnungen (5), die in der besagten Vielzahl von Flüssigkeitsströmungsbahnen (3) angeordnet sind, für die Verbindung zu einer gemeinsamen Flüssigkeitsversorgungskammer (6) und ein bewegliches Element, das ein freies Ende aufweist, das in einem geringen Abstand (α) zu der Seite der Flüssigkeitsströmungsbahn (3) der Flüssigkeitsversorgungsöffnung (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bereich, der mit mindestens einem freien Endabschnitt des beweglichen Elements und beiden von dem freien Endabschnitten weitergeführten Seitenabschnitten umgeben ist, größer ist als ein Öffnungsbereich (S) zur Flüssigkeitsströmungsbahn (3) der Flüssigkeitsversorgungsöffnung (5), wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Anwenden einer Steuerspannung an der Blasenerzeugungsvorrichtung (4); Erzeugen einer Blase mit der Blasenerzeugungsvorrichtung (4); Abdichten des Öffnungsbereiches (S) mit dem beweglichen Element zu dem Zeitpunkt, wenn das richtungsunabhängige Wachstum der ganzen, durch die Blasenerzeugungsvorrichtung (4) erzeugten Blase beendet ist; Beginn des Einziehens der Blase; Beginn des Nachfüllens der Flüssigkeit in die Flüssigkeitsströmungsbahn (3) aus der gemeinsamen Flüssigkeitsversorgungskammer (6) während das bewegliche Element zur Seite der Blasenerzeugungsvorrichtung (4) verschoben wird und während ein Teil der Blase, die durch die Blasenerzeugungsvorrichtung (4) auf der Seite der Ausstoßöffnung (7) erzeugt wurde, wächst; Ausstoßen der Flüssigkeit aus der Ausstoßöffnung (7) als ein Flüssigkeitströpfchen mit dem Volumen Vd; Verursachen einer eingezogenen Menge des Meniskus mit einem maximalen Wert Vm kleiner als Vd.
Flüssigkeitsausstoßverfahren gemäß Anspruch 9, wobei das bewegliche Element ebenfalls einen Abstand zu einer Flüssigkeitsbahnwand hat, um die Flüssigkeitströmungsbahn (3) auszubilden.
Flüssigkeitsausstoßverfahren gemäß Anspruch 9, wobei der geringe Abstand (α) zwischen dem beweglichen Element und der Flüssigkeitsversorgungsöffnung (5) etwa 10 μm oder weniger beträgt.
Flüssigkeitsausstoßverfahren gemäß Anspruch 9, wobei die Ausstoßöffnung (7) und die Blasenerzeugungsvorrichtung (4) eine geradlinige Verbindungslage aufweisen.