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Die
Erfindung betrifft allgemein Ausstoßvorrichtungen zum Ausstoßen eines
Flüssigkeitstropfens
auf Anforderung, wie zum Beispiel Tintenstrahldrucker, und insbesondere
Vorrichtungen dieser Art mit einer elektrostatischen Betätigungsvorrichtung zum
Ausstoßen
der Flüssigkeit
aus der Vorrichtung.
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Der
Einsatz von Ausstoßvorrichtungen
mit elektrostatischen Betätigungsvorrichtungen
zum Ausstoßen
eines Flüssigkeitstropfens
auf Anforderung bei Tintendrucksystemen ist bekannt. Die Fujii u.a.
am 1. Juli 1997 bzw. 16. September 1997 erteilten US-Patente No.
5 644 341 und No. 5 668 579 offenbaren solche Vorrichtungen mit
elektrostatischen Betätigungsvorrichtungen,
die dort aus nur einer Membran und einer dieser gegenüberliegend
angeordneten Elektrode bestehen. Die Membran wird durch Anlegen
einer ersten Spannung an die Elektrode verformt. Bei Relaxation
der Membran wird ein Tintentröpfchen
aus der Vorrichtung geschleudert. Weitere nach dem Prinzip der elektrostatischen
Anziehung arbeitende Vorrichtungen werden in US-A-S 739 831, US-A-6
127 198 und US-A-6 318 841 sowie in US-Veröffentlichung No. 2001/0023523
offenbart.
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US
A-6 345 884 beschreibt eine Vorrichtung, die eine elektrostatisch
verformbare Membran mit einem Tintennachfüllloch in der Membran aufweist. Durch
Anlegen eines elektrischen Feldes an die Tinte wird die Membran
gewölbt
und ein Tintentropfen ausgestoßen.
Diese Vorrichtung ist einfach herzustellen, erfordert aber das Anlegen
eines Feldes an die Tinte, sodass nicht jede Tinte verwendbar ist.
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IEEE
Conference Proceeding "MEMS
1998," vom 25. bis
29. Januar 2002 in Heidelberg, Deutschland, mit dem Titel "A Low Power, Small,
Electrostatically-Driven Commercial Ink jet Head" von S. Darmisuki u.a. offenbart einen
Tintenstrahldruckkopf, bei dem zur Herstellung einer Tintenausstoßvorrichtung drei
Substrate, von denen zwei aus Glas bestehen und eines aus Silizium,
anodisch kontaktiert werden. Tropfen aus einem Tintenhohlraum werden
durch eine Öffnung
in der oberen Glasplatte ausgestoßen, wenn eine in dem Siliziumsubstrat
ausgebildete Membran zuerst nach unten in Berührung mit einem Leiter auf
der unteren Glasplatte gezogen und anschließend gelöst wird. In der Tinte liegt
kein elektrisches Feld an. Die Vorrichtung nimmt viel Platz in Anspruch
und ist in der Herstellung teuer.
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US-A-6
357 865, J. Kubby u.a., beschreibt eine mit aufgedampften Polysiliziumschichten
hergestellte Tropfenausstoßvorrichtung
mit mikrobearbeiteter Oberfläche.
Tropfen aus einem Tintenhohlraum werden durch eine Öffnung in
einer oberen Polysiliziumschicht ausgestoßen, wenn eine untere Polysiliciumschicht
zuerst nach unten in Berührung
mit einem Leiter gezogen und anschließend gelöst wird. In der Tinte liegt
kein elektrisches Feld an. Die Vorrichtung erfordert jedoch eine
hohe Spannung für
einen wirksamen Betrieb und Werkstoffe mit besonderen Elastizitätsmoduln
für die
Herstellung.
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Der
Spalt zwischen der Membran und der ihr gegenüberliegend angeordneten Elektrode
muss so groß sein,
dass sich die Membran weit genug bewegen kann, um das Volumen der
Flüssigkeitskammer deutlich
zu verändern.
Große
Spalte erfordern hohe Spannungen zum Bewegen der Membran, und hohe Spannungen
erfordern teure Schaltungen und eine aufwändigere Montage. Bei sehr kleinem
Spalt bewegt sich die Membran nur wenig. Die Vorrichtung muss dann
mit einem großen
Flächeninhalt
ausgeführt
werden.
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In
Vorrichtungen, bei denen das elastische Gedächtnis der Membran zum Ausstoßen von
Flüssigkeitstropfen
genutzt wird, muss die Membran unter der Kraft ihrer eigenen Zugspannung
und reinen Steifigkeit in die Ausgangslage zurückkehren. Dies reicht zur Überwindung
der Haftreibung nicht immer aus, ganz abgesehen davon, dass Zugspannung
und Steifigkeit nicht bei jeder Membran gleich sind.
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Wenn
die Membran durch Anlegen einer Spannung an die Elektrode verformt
wird, neigt die Membran dazu, plötzlich
in Berührung
mit einem darunter liegenden Substrat zu schnellen, wenn sich die Membran
dem Substrat nähert.
Dies findet im Allgemeinen auf dem letzten Drittel des von der Membran zurückgelegten
Wegs statt. Dieser Teil der Bewegung ist nicht beherrschbar.
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JP-A-11
309 850 offenbart eine Vorrichtung, bei der zwei feststehende Elektroden
auf gegenüberliegenden
Seiten einer Membran angeordnet werden und die Membran mit einer
dritten Elektrode versehen wird. Die Spannungszuführung zu
den drei Elektroden erfolgt so, dass sich die Membran zum Ausstoßen von
Tröpfchen
in beiden Richtungen wölbt.
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Nach
einem Merkmal der vorliegenden Erfindung weist eine Ausstoßvorrichtung
zum Ausstoßen eines
Flüssigkeitstropfens
auf Anforderung, wie zum Beispiel ein Tintenstrahldrucker, einen
elektrostatischen Tropfenausstoßmechanismus
auf, der durch Anlegen eines elektrischen Feldes Flüssigkeit
aus einer Kammer in der Vorrichtung treibt. Baulich verbundene,
getrennt adressierbare erste und zweite Doppelelektroden sind in
einer ersten Richtung bewegbar, um Flüssigkeit in die Kammer zu saugen,
und in einer zweiten Richtung, um einen Flüssigkeitstropfen aus der Kammer
auszustoßen.
Eine zwischen den Doppelelektroden angeordnete dritte Elektrode
weist einander gegenüberliegende
Flächen
auf, die jeweils der ersten bzw. der zweiten Elektrode zugewandt sind,
und zwar in einem Berührungswinkel,
der bewirkt, dass die Bewegung der Doppelelektroden in der ersten
oder zweiten Richtung die Berührung
zwischen der ersten und dritten Elektrode schrittweise verstärkt und
die Bewegung der Doppelelektroden in der Richtung die Berührung zwischen
der zweiten und dritten Elektrode schrittweise verstärkt.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten
bevorzugten Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausstoßvorrichtung zum Ausstoßen eines
Flüssigkeitstropfens
auf Anforderung;
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2 eine
Querschnittsansicht eines Teils der in 1 dargestellten
Ausstoßvorrichtung
zum Ausstoßen
eines Flüssigkeitstropfens
auf Anforderung;
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3–5 Aufsichten
alternativer Ausführungsformen
einer Düsenplatte
der in 1 and 2 dargestellten Ausstoßvorrichtung
zum Ausstoßen
eines Flüssigkeitstropfens
auf Anforderung;
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6 eine
Querschnittsansicht der in 2 dargestellten
Ausstoßvorrichtung
zum ausstoßen
eines Flüssigkeitstropfens
auf Anforderung in einem ersten Betätigungszustand;
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7 eine
Querschnittsansicht der in 2 dargestellten
Ausstoßvorrichtung
zum Ausstoßen
eines Flüssigkeitstropfens
auf Anforderung in einem zweiten Betätigungszustand;
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8 eine
Querschnittsansicht eines Teils einer weiteren Ausführungsform
der in 1 dargestellten Ausstoßvorrichtung zum Ausstoßen eines Flüssigkeitstropfens
auf Anforderung;
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9 eine
Querschnittsansicht der in 8 dargestellten
Ausstoßvorrichtung
zum Ausstoßen
eines Flüssigkeitstropfens
auf Anforderung in einem ersten Betätigungszustand;
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10 eine
Querschnittsansicht eines Teils einer weiteren Ausführungsform
der in 1 dargestellten Ausstoßvorrichtung zum Ausstoßen eines Flüssigkeitstropfens
auf Anforderung;
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11 eine
Querschnittsansicht eines Teils einer weiteren Ausführungsform
der in 1 dargestellten Ausstoßvorrichtung zum Ausstoßen eines Flüssigkeitstropfens
auf Anforderung;
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12 eine
Querschnittsansicht der in 11 dargestellten
Ausstoßvorrichtung
zum Ausstoßen
eines Flüssigkeitstropfens
auf Anforderung in einem ersten Betätigungszustand;
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13 eine
Querschnittsansicht eines Teils einer weiteren Ausführungsform
der in 1 dargestellten Ausstoßvorrichtung zum Ausstoßen eines Flüssigkeitstropfens
auf Anforderung; and
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14 eine
Querschnittsansicht der in 13 dargestellten
Ausstoßvorrichtung
zum Ausstoßen
eines Flüssigkeitstropfens
auf Anforderung in einem ersten Betätigungszustand.
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Wie
im Folgenden ausführlich
beschrieben, schafft die Erfindung ein Gerät und ein Verfahren zum Betreiben
einer Ausstoßvorrichtung
zum Ausstoßen
eines Flüssigkeitstropfens
auf Anforderung.
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Die
bekanntesten Vorrichtungen dieser Art werden als Druckköpfe in Tintenstrahldrucksystemen eingesetzt.
Zahlreiche weitere Anwendungen zeichnen sich ab, bei denen von ähnlichen
Vorrichtungen Gebrauch gemacht wird, bei denen jedoch andere Flüssigkeiten
(keine Tinten) ausgestoßen
werden, die fein dosiert und mit hoher räumlicher Präzision aufgebracht werden müssen. Die
nachstehend beschriebenen Erfindungen schaffen Geräte und Verfahren
zum Betreiben von Tropfenausstoßvorrichtungen
mit elektrostatischen Betätigungsvorrichtungen zur
Verbesserung des energetischen Wirkungsgrads und der Tropfenausstoßleistung
insgesamt.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäß betreibbaren
Ausstoßvorrichtung 10 zum
Ausstoßen
eines Flüssigkeitstropfens auf
Anforderung, wie zum Beispiel eines Tintenstrahldruckers. Das System
beinhaltet eine Datenquelle 12 (beispielsweise eine Bilddatenquelle),
deren Signale von einer Steuereinrichtung 14 als Befehle
zum Ausstoßen
von Tropfen gedeutet werden. Die Steuereinrichtung 14 gibt
an eine Quelle elektrischer Energieimpulse 16 Signale aus,
die in eine Ausstoßvorrichtung
zum Ausstoßen
eines Flüssigkeitstropfens auf
Anforderung, wie zum Beispiel einen Tintenstrahldrucker 18,
eingegeben werden.
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Die
Ausstoßvorrichtung 10 zum
Ausstoßen eines
Flüssigkeitstropfens
auf Anforderung beinhaltet eine Vielzahl von elektrostatischen Tropfenausstoßmechanismen 20. 2 zeigt
eine Querschnittsansicht eines der Vielzahl von elektrostatisch
betätigten
Tropfenausstoßmechanismen 20.
In einer Düsenplatte 24 ist
für jeden
Mechanismus 20 eine Düsenöffnung 22 ausgebildet.
Jeder Tropfenausstoßmechanismus 20 wird
von einer oder mehreren Wandungen 26 mit einer daran befestigten
elektrisch adressierbaren Elektrode 28 begrenzt.
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Zur
Bildung einer Flüssigkeitskammer 30 für die Aufnahme
der aus der Düsenöffnung 22 auszustoßenden Flüssigkeit,
wie zum Beispiel Tinte, ist der äußere Umfang
der Elektrode 28 dichtend an der Wandung 26 befestigt.
Die Flüssigkeit
wird durch eine oder mehrere Nachfüllöffnungen 32 aus einem Vorrat
(nicht dargestellt) in die Kammer 30 gesaugt und bildet
in der Düsenöffnung typischerweise
einen Meniskus. Die Bemessung der Öffnungen 32 wird im Folgenden
erläutert.
Ein dielektrisches Medium füllt den
Bereich 34 auf der der Kammer 30 abgewandten Seite
der Elektrode 28 aus. Als dielektrisches Medium wird vorzugsweise
Luft oder ein anderes dielektrisches Gas verwendet, obwohl eine
dielektrische Flüssigkeit
ebenfalls geeignet ist.
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Die
Elektrode 28 wird typischerweise aus einem etwas elastischen
leitenden Material, wie zum Beispiel Polysilizium oder, bei der
bevorzugten Ausführungsform,
einer Kombination mehrerer Schichten, bei der eine mittige leitende
Schicht von einer oberen und einer unteren isolierenden Schicht
umgeben ist, hergestellt. So umfasst eine bevorzugte Elektrode 28 beispielsweise
einen dünnen
Film aus Polysilizium zwischen zwei dünnen Filmen aus Siliziumnitrid,
wobei jeder Film beispielsweise 1 μm dick ist. In letzterem Fall
dient das Nitrid dazu, den Polysiliziumfilm zu versteifen und ihn
gegen die Flüssigkeit
in der Kammer 30 zu isolieren. Aufgrund des Vorhandenseins
einer im Folgenden beschriebenen Kupplungseinrichtung muss der Polysiliziumfilm
nicht weiter versteift werden, weil die Elektrode ausschließlich durch
elektrostatische Anziehungskräfte
in beiden Richtungen bewegt werden kann.
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Eine
zwischen der Kammer 30 und einem unteren Hohlraum 37 angeordnete
zweite Elektrode 36 weist vorzugsweise die gleiche Zusammensetzung
auf wie die Elektrode 28 und ist getrennt von der Elektrode 28 elektrisch
adressierbar. Die adressierbaren Elektroden 28 und 36 sind
vorzugsweise mindestens teilweise elastisch und werden auf einander gegenüberliegenden
Seiten nur einer mittigen Elektrode 38 so angeordnet, dass
die drei Elektroden axial im Wesentlichen mit der Düsenöffnung 22 fluchten. Da
zwischen der adressierbaren Elekt rode 36 und der Wandung 26 keine
vollständige
Dichtung erforderlich ist, kann der Umfangsbereich der Elektrode lediglich
aus Lappen bestehen, die den mittigen Bereich der Elektrode 36 an
die Wandung 26 anbinden.
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Die
mittige Elektrode 38 wird vorzugsweise aus einem leitenden
mittigen Körper
hergestellt, der von einem dünnen
Isolierstoff gleichmäßiger Dicke, beispielsweise
Siliziumoxid oder Siliziumnitrid, umgeben und starr an den Wandungen 26 befestigt
ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
ist die mittige Elektrode auf einer Seite, der oberen Seite in 2 gekrümmt, und
auf der entgegengesetzten Seite, der unteren Seite in 2,
flach und berührt entlang
ihrer unteren Fläche
an den Wandungen 26 die adressierbare Elektrode 36,
d.h. die obere Fläche der
mittigen Elektrode 38 entfernt sich konkav von der adressierbaren
Elektrode 28, während
die untere Fläche
der mittigen Elektrode 38 planar verläuft und die adressierbare Elektrode 36 über ihre
ganze Länge
berühren
kann. Erfindungsgemäß ist die
untere Seite der mittigen Elektrode 38 flach ausgebildet
und wird von der adressierbaren Elektrode 36 an ihrem Umfang
entlang der Seitenwand 26 berührt, um zu gewährleisten,
dass die Form der adressierbaren Elektrode 36, wenn diese
nicht an der mittigen Elektrode 36 anliegt (6),
ausschließlich
von den Materialeigenschaften der adressierbaren Elektrode 36 und
der Länge,
mit der die starre Kupplungseinrichtung 40 nach unten über die
untere Fläche
der mittigen Elektrode 38 ragt, bestimmt wird. Wenn sich
die adressierbare Elektrode 36, wie in 6 gezeigt, nach
unten bewegt, nimmt sie dann fast exakt bei allen Ausstoßvorrichtungen
auf ein und demselben Druckkopf und den Ausstoßvorrichtungen verschiedener
Druckköpfe
dieselbe Stellung ein. Die von der adressierbaren Elektrode 36 zum
Ausstoßen
von Tropfen während
der später
beschriebenen Tropenausstoßphase
ausgeübte
Kraft ist dann unabhängig von
der genauen Form des gekrümmten
Teils der mittigen Elektrode 38 bei allen Ausstoßvorrichtungen fast
exakt gleich. Bekanntlich ist in der Halbleiterfertigung eine ebene
Fläche
genauer und zuverlässiger herzustellen
als eine gekrümmte
Fläche,
und Filme, wie zum Beispiel die Dünnfilme, aus denen die adressierbare
Elektrode 36 gebildet wird, sind gleichbleibender aufzubringen
und besser zu verstehen, wenn sie auf ein flaches Substrat aufgedampft
werden. Auf diese Weise werden die Tropfen aus allen Ausstoßvorrichtungen
mit annähernd
gleicher Geschwindigkeit ausgestoßen.
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Da
die untere Fläche
der mittigen Elektrode 38 flach ist, hat die adressierbare
Elektrode 36 außerdem
den kleinsten Flächeninhalt,
wenn die adressierbare Elektrode die untere Seite der mittigen Elektrode
berührt
(7). Der Flächeninhalt
nimmt zu, wenn die adressierbare Elektrode 36 von der mittigen Elektrode
weggedrückt
wird (6). Ein mit der Theorie elastischer Verformung
vertrauter Fachmann wird nachvollziehen können, dass infolgedessen die adressierbare
Elektrode 36 die mittige Elektrode im Betrieb mit Sicherheit
ganzflächig
berührt,
weil der Teil der adressierbaren Elektrode 36, der zuletzt
mit der mittigen Elektrode in Berührung gelangt, eine geringere
Zugspannung aufweist als dies bei einer konkaven mittigen Elektrode
der Fall wäre.
Dagegen weist die adressierbare Elektrode 28 in 6 die größte Zugspannung
dann auf, wenn sie die gesamte obere Seite der mittigen Elektrode
berührt
(oder zu berühren
versucht), weil der Flächeninhalt
der adressierbaren Elektrode 28 am größten ist, wenn diese die mittige
Elektrode 38 berührt.
Wie in 6 gezeigt, wird die adressierbare Elektrode 28 die
mittige Elektrode 38 nur dann ganzflächig berühren, wenn der Spannungsunterschied
zwischen den beiden Elektroden sehr groß ist, während die adressierbare Elektrode 36 die
mittige Elektrode 38 immer, auch bei kleinen Spannungsunterschieden
zwischen den Elektroden, berührt.
Aufgrund ihrer elastischen Eigenschaften und des Spannungsunterschieds
zwischen der adressierbaren Elektrode 36 und der mittigen
Elektrode 38 üben
daher während
der später
beschriebenen Tropfenausstoßphase
beide adressierbare Elektroden eine Kraft aus, die den Druck in
dem Tintenhohlraum 30 erhöht.
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Die
beiden adressierbaren Elektroden sind baulich über eine starre Kupplungseinrichtung 40 miteinander
verbunden. Diese Kupplungseinrichtung besteht aus einem elektrischen
Isolierkörper,
wobei dieser Begriff hier eine Kupplungseinrichtung aus leitendem
Material mit einer nichtleitenden Unterbrechung einschließen soll.
Die Kupplungseinrichtung 40 stellt eine bauliche Verbindung
zwischen den beiden adressierbaren Elektroden her und isoliert die Elektroden,
sodass an die beiden Elektroden unterschiedliche Spannungen angelegt
werden können. Die
Kupplungseinrichtung kann aus konform aufgedampftem Siliziumdioxid
hergestellt werden.
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3-5 zeigen
Aufsichten der Düsenplatte 24 mit
mehreren alternativen Ausführungsformen
der Anordnungsmuster für
die verschiedenen Düsenöffnungen 22 eines
Druckkopfs. Während
die Innenfläche
der Wandungen 26 in 2 und 3 ringförmig ausgebildet
ist, bilden die Wandungen 26 in 5 rechteckige
Kammern. Andere Formgebungen sind natürlich auch möglich. Die
Darstellungen in der Zeichnung sollen lediglich klarstellen, dass
Alternativen im Rahmen des Schutzumfangs der Erfindung möglich sind.
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Um
einen Tropfen auszustoßen,
wird in 6 an den der Düsenöffnung 22 und
dem leitenden Teil der mittigen Elektrode 38 nächst gelegenen Polysiliziumteil
der adressierbaren Elektrode 28 eine elektrostatische Ladung
angelegt. Die Spannungen des leitenden Körpers der mittigen Elektrode 38 und des
Polysiliziumteils der adressierbaren Elektrode 36 werden
auf demselben Wert gehalten. Wie in 6 gezeigt,
wird die adressierbare Elektrode 28 von der mittigen Elektrode 38 angezogen,
bis sie sich soweit verformt hat, dass sie außer in unmittelbarer Nähe der mittigen Öffnung in
der mittigen Elektrode im Wesentlichen dieselbe Form aufweist wie
die Oberfläche der
mittigen Elektrode. Infolge dieser Formangleichung drückt die
adressierbare Elektrode 28 die adressierbare Elektrode 36 über die
starre Kupplungseinrichtung 40 nach unten, sodass die adressierbare
Elektrode 36, wie in 6 gezeigt,
auch nach unten verformt und im System elastische Lageenergie gespeichert
wird. Da die adressierbare Elektrode 28 einen Teil der
Wandung der Flüssigkeitskammer 30 hinter
der Düsenöffnung bildet,
vergrößert sich
der Kammerinhalt, wenn sich die Elektrode 28 von der Düsenplatte 24 entfernt,
sodass durch die Öffnungen 32 Flüssigkeit
in die sich vergrößernde Kammer
gesaugt wird. Die adressierbare Elektrode 36 empfängt keine
elektrostatische Ladung. Das bedeutet, dass sie dieselbe Spannung
aufweist wie die Elektrode 38 und sich gemeinsam mit der
adressierbaren Elektrode 28 bewegt.
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Der
Berührungswinkel
zwischen der unteren Fläche
der adressierbaren Elektrode 28 und der oberen Fläche der
mittigen Elektrode 38 beträgt vorzugsweise weniger als
10 Grad. Bei einer bevorzugten Ausführungsform tendiert dieser
Winkel an der Berührungsstelle
zwischen der unteren Fläche
der adressierbaren Elektrode 28 und der oberen Fläche der
mittigen Elektrode 38 gegen 0 Grad. Dies gewährleistet,
dass der Spannungsunterschied, der erforderlich ist, die adressierbare
Elektrode 28 nach unten in Berührung mit der mittigen Elektrode 38 zu
ziehen, im Vergleich zu dem Wert, der bei einem Winkel von mehr
als 10 Grad erforderlich wäre,
gering ist. So ist zum Beispiel die für die in 6 gezeigte
Form der mittigen Elektrode 38 benötigte Spannung typischerweise
weniger als halb so groß wie
für einen Berührungswinkel
von 90 Grad zwischen der unteren Fläche der adressierbaren Elektrode 28 und
der oberen Fläche
der mittigen Elektrode 38. Ein mit elektrostatischen Betätigungsvorrichtungen
vertrauter Fachmann wird dies bestätigen können.
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Anschließend (beispielsweise
ein paar Mikrosekunden später)
wird die adressierbare Elektrode 28 abgeschaltet, sodass
sie die gleiche Spannung aufweist wie die Elektrode 38,
und die adressierbare Elektrode 36 eingeschaltet, worauf
diese, unterstützt durch
die Freisetzung der gespeicherten elastischen Lageenergie, zur mittleren
Elektrode 38 gezogen wird. Das Abschalten der Elektrode 28 und
Einschalten der Elektrode 36 kann gleichzeitig erfolgen
oder mit einer kurzen Verweilzeit zwischen den beiden Zuständen, sodass
die Konstruktion beginnt, sich ausschließlich unter der Kraft der im
System gespeicherten elastischen Lageenergie aus der in 6 gezeigten
Stellung zu der in 7 gezeigten Stellung hin zu bewegen.
Wie aus 7 ersichtlich, wird durch diesen
Vorgang auf die Flüssigkeit
in der Kammer 30 hinter der Düsenöffnung Druck ausgeübt, sodass
ein Tropfen aus der Düsenöffnung ausgestoßen wird. Um
sowohl das Nachsaugen als auch das Ausstoßen des Tropfens zu optimieren,
sollten die Öffnungen 32 so
bemessen sein, dass der Strömungswiderstand gering
genug ist, um das Füllen
der Kammer 30 beim Einschalten der Elektrode 28 nicht
signifikant zu behindern, aber trotzdem ausreicht, um ein Rückströmen von
Flüssigkeit
durch die Öffnung
beim Ausstoßen
des Tropfens auszuschließen.
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Die
untere Fläche
der mittigen Elektrode 38 verläuft planar. Dies verringert
die Abhängigkeit
des verdrängten
Flüssigkeitsvolumens
von Fertigungsparametern während
des Ausstoßhubs
und ermöglicht einen
planaren Verlauf der adressierbaren Elektrode 28, wenn
die Ausstoßhöhe ihren
Spitzenwert erreicht. Im Vergleich zu einer symmetrischen mittigen Elektrode
mit zwei konkaven Flächen,
ist diese Elektrode leichter herzustellen und von Prozessschwankungen
weniger abhängig.
Außerdem
lässt sich
der Beginn des Ausstoßhubs
genauer steuern.
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Bei
der in 2 dargestellten Ausführungsform ist die adressierbare
Elektrode 36 flach und verläuft vor Anlegen einer Spannung
zwischen der Elektrode 28 und der mittigen Elektrode parallel
zur unteren Fläche
der mittigen Elektrode 38. Dies muss nicht so sein. Bei
einer anderen, in 8 und 9 dargestellten
bevorzugten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Flüssigkeitsausstoßvorrichtung
tritt an die Stelle der in 2 dargestellten
adressierbaren Elektroden 36 eine adressierbare Elektrode 42, die
sich in diesem Betriebszustand nach unten wölbt. Eine solche Elektrodenkonfiguration
kann nach einem aus der Dünnfilmherstellung
bekannten Verfahren in der Weise hergestellt werden, dass das Material,
aus dem die adressierbare Elektrode 42 besteht, teilweise
oder ganz in einem Zustand statischer Kompression aufgedampft wird.
Stattdessen kann die Membran auch auf eine geformte Fläche, wie
zum Beispiel eine teilweise belichtete Fotoresistfläche, aufgedampft
werden. Die Arbeitsweise wird dadurch nicht prinzipiell verändert.
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10 zeigt
eine weitere bevorzugte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Flüssigkeitsausstoßvorrichtung.
Bei der in 10 gezeigten Ausführungsform
ist an die Stelle der in 2 gezeigten mittigen Kupplungseinrichtung 40 zwischen der
oberen adressierbaren Elektrode 28 und der unteren adressierbaren
Elektrode 36 eine Vielzahl von Kupplungseinrichtungen 44 getreten,
die radial von der Mitte beabstandet sind. In diesem Fall bestehen die
Kupplungseinrichtungen 44 aus um eine gleiche Anzahl von Öffnungen
in der mittigen Elektrode 38 verteilten Pfosten. An der
anhand von 2 beschriebenen Arbeitsweise
hat sich im Übrigen
nichts geändert.
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11 und 12 zeigen
ebenfalls eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Flüssigkeitsausstoßvorrichtung.
Die Ausrichtung der asymmetrischen mittigen Elektrode 46 hat
sich gegenüber
der Ausrichtung der mittigen Elektrode 38 der vorher dargestellten
Ausführungsformen
umgekehrt. Die mittige Elektrode weist hier auf der der Düsenöffnung 22 zugewandten
Seite eine flache Oberfläche
auf, während
die untere Fläche nach
oben gekrümmt
ist. Bei genauer Einhaltung der größten Tiefe der gekrümmten Fläche der
mittigen Elektrode lässt
sich das kleinste und größte Tintenkammervolumen
gut beherrschen. Die Abhängigkeit vom
Fertigungsprozess ist jedoch größer als
bei den oben beschriebenen Ausführungsformen.
Die in 11 und 12 gezeigte
Umkehr der Ausrichtung der asymmetrischen mittigen Elektrode hat
jedoch den Vorteil, dass die gekrümmte Form der adressierbaren
Elektrode 68 beim Ausstoßen des Tropfens die zusätzliche
Verwendung einer in 13 und 14 dargestellten
flachen Ausstoßplatte 48 zulässt. Die flache
Ausstoßplatte 48 bewirkt,
dass die untere Fläche
beim Ausstoßen
der Flüssigkeit
flacher verläuft und
dass die Nachsaugkanäle
während
des Ausstoßvorgangs
teilweise verschlossen werden können,
was den volumetrischen Wirkungsgrad erhöht.