DE60303875T2 - Flüssigkeitsausstossverfahren unter Verwendung einer asymmetrischen electrostatischen Vorrichtung - Google Patents

Flüssigkeitsausstossverfahren unter Verwendung einer asymmetrischen electrostatischen Vorrichtung Download PDF

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    • B41JTYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
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    • B41J2/14Structure thereof only for on-demand ink jet heads
    • B41J2/14314Structure of ink jet print heads with electrostatically actuated membrane

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausstoßvorrichtung zum Ausstoßen eines Flüssigkeitstropfens auf Anforderung;
  • 2 eine Querschnittsansicht eines Teils der in 1 dargestellten Ausstoßvorrichtung zum Ausstoßen eines Flüssigkeitstropfens auf Anforderung;
  • 35 Aufsichten alternativer Ausführungsformen einer Düsenplatte der in 1 and 2 dargestellten Ausstoßvorrichtung zum Ausstoßen eines Flüssigkeitstropfens auf Anforderung;
  • 6 eine Querschnittsansicht der in 2 dargestellten Ausstoßvorrichtung zum ausstoßen eines Flüssigkeitstropfens auf Anforderung in einem ersten Betätigungszustand;
  • 7 eine Querschnittsansicht der in 2 dargestellten Ausstoßvorrichtung zum Ausstoßen eines Flüssigkeitstropfens auf Anforderung in einem zweiten Betätigungszustand;
  • 8 eine Querschnittsansicht eines Teils einer weiteren Ausführungsform der in 1 dargestellten Ausstoßvorrichtung zum Ausstoßen eines Flüssigkeitstropfens auf Anforderung;
  • 9 eine Querschnittsansicht der in 8 dargestellten Ausstoßvorrichtung zum Ausstoßen eines Flüssigkeitstropfens auf Anforderung in einem ersten Betätigungszustand;
  • 10 eine Querschnittsansicht eines Teils einer weiteren Ausführungsform der in 1 dargestellten Ausstoßvorrichtung zum Ausstoßen eines Flüssigkeitstropfens auf Anforderung;
  • 11 eine Querschnittsansicht eines Teils einer weiteren Ausführungsform der in 1 dargestellten Ausstoßvorrichtung zum Ausstoßen eines Flüssigkeitstropfens auf Anforderung;
  • 12 eine Querschnittsansicht der in 11 dargestellten Ausstoßvorrichtung zum Ausstoßen eines Flüssigkeitstropfens auf Anforderung in einem ersten Betätigungszustand;
  • 13 eine Querschnittsansicht eines Teils einer weiteren Ausführungsform der in 1 dargestellten Ausstoßvorrichtung zum Ausstoßen eines Flüssigkeitstropfens auf Anforderung; and
  • 14 eine Querschnittsansicht der in 13 dargestellten Ausstoßvorrichtung zum Ausstoßen eines Flüssigkeitstropfens auf Anforderung in einem ersten Betätigungszustand.
  • Wie im Folgenden ausführlich beschrieben, schafft die Erfindung ein Gerät und ein Verfahren zum Betreiben einer Ausstoßvorrichtung zum Ausstoßen eines Flüssigkeitstropfens auf Anforderung.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (10)

  1. Ausstoßvorrichtung (10) zum Ausstoßen eines Flüssigkeitstropfens, mit: einem Gehäuse mit einer ein Volumen aufweisenden Kammer (30), in der eine Flüssigkeit aufnehmbar ist und die eine Düsenöffnung umfasst, aus der ein Tropfen aufgenommener Flüssigkeit ausstoßbar ist; gekennzeichnet durch eine erste Elektrode (28), die einem bewegbaren Wandungsabschnitt des Gehäuses mit der ein Volumen aufweisenden Kammer zugeordnet ist, derart, dass eine Bewegung der ersten Elektrode in einer ersten Richtung eine Bewegung des bewegbaren Wandungsabschnitts bewirkt, um das Volumen der Kammer derart zu vergrößern, dass Flüssigkeit in die Kammer gesaugt wird; eine zweite Elektrode (36), die dem bewegbaren Wandungsabschnitt zugeordnet ist, derart, dass die Bewegung der zweiten Elektrode in einer zweiten Richtung eine Bewegung des bewegbaren Wandungsabschnitts bewirkt, um das Volumen der Kammer derart zu reduzieren, dass ein Flüssigkeitstropfen durch die Düsenöffnung ausgestoßen wird; und eine zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordnete dritte Elektrode (38), derart, dass 1) das Anlegen eines elektrostatischen Ladungsdifferentials zwischen der ersten und dritten Elektrode bewirkt, dass die erste Elektrode sich in die erste Richtung bewegt, um das Volumen der Kammer zu vergrößern, und 2) das Anlegen eines elektrostatischen Ladungsdifferentials zwischen der zweiten und dritten Elektrode bewirkt, dass die zweite Elektrode sich in die zweite Richtung bewegt, um das Volumen der Kammer zu reduzieren, wobei die dritte Elektrode einander gegenüberliegende Fläche aufweist, die jeweils der ersten bzw. zweiten Elektrode zugewandt sind, worin: die eine der einander gegenüberliegenden Flächen der dritten Elektrode einer der ersten bzw. zweiten Elektroden in einem Berührungswinkel zugewandt ist, wobei die Bewegung der ersten bzw. zweiten Elektrode zur dritten Elektrode hin schrittweise die Berührung zwischen der ersten bzw. zweiten Elektrode und einer der einander gegenüberliegenden Flächen der dritten Elektrode verstärkt; und die andere der einander gegenüberliegenden Flächen der dritten Elektrode flach ist.
  2. Ausstoßvorrichtung zum Ausstoßen eines Flüssigkeitstropfens nach Anspruch 1, worin die Berührungswinkel zwischen der einen der einander gegenüberliegenden Flächen der dritten Elektrode und der ersten bzw. zweiten Elektrode kleiner als 10° ist.
  3. Ausstoßvorrichtung zum Ausstoßen eines Flüssigkeitstropfens nach Anspruch 1, worin die eine der einander gegenüberliegenden Flächen der dritten Elektrode von der ersten bzw. zweiten Elektrode konkav beabstandet ist.
  4. Ausstoßvorrichtung zum Ausstoßen eines Flüssigkeitstropfens nach Anspruch 1, worin die Ausstoßvorrichtung ein Druckkopf (18) eines Tintenstrahldrucksystems ist.
  5. Ausstoßvorrichtung zum Ausstoßen eines Flüssigkeitstropfens nach Anspruch 1, mit einer Steuereinrichtung (14), die umfasst: einen ersten Zustand, in dem ein elektrostatisches Ladungsdifferential zwischen der ersten und der dritten Elektrode angelegt wird; und einen zweiten Zustand, in dem ein elektrostatisches Ladungsdifferential zwischen der zweiten und der dritten Elektrode angelegt wird.
  6. Ausstoßvorrichtung zum Ausstoßen eines Flüssigkeitstropfens nach Anspruch 5, worin die Steuerungseinrichtung eine kurze Verweilzeit zwischen dem ersten und zweiten Zustand bereitstellt.
  7. Ausstoßvorrichtung zum Ausstoßen eines Flüssigkeitstropfens nach Anspruch 1, worin die dritte Elektrode eine Erdungselektrode ist.
  8. Ausstoßvorrichtung zum Ausstoßen eines Flüssigkeitstropfens nach Anspruch 7, worin die Erdungselektrode baulich steif ist.
  9. Ausstoßvorrichtung zum Ausstoßen eines Flüssigkeitstropfens nach Anspruch 1, worin die adressierbaren Elektroden mittels einer starren Kupplungseinrichtung (40) baulich verbunden sind.
  10. Ausstoßvorrichtung zum Ausstoßen eines Flüssigkeitstropfens nach Anspruch 9, worin die Kupplungseinrichtung elektrisch isolierend ist.
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