DE69714941T2

DE69714941T2 - Verfahren und Vorrichtung für eine Tintenkammerentleerung

Info

Publication number: DE69714941T2
Application number: DE69714941T
Authority: DE
Inventors: Timothy L. Weber
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 1996-10-28
Filing date: 1997-04-16
Publication date: 2003-03-27
Anticipated expiration: 2017-04-17
Also published as: EP0838337A1; US6113221A; EP0838337B1; KR19980033195A; TW453953B; CN1134345C; DE69714941D1; CN1181313A; KR100554807B1; JPH10128977A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Tintenstrahldrucken. Spezieller bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Evakuieren einer Tintenkammer für einen Tintenstrahl-Druckkopf.
Ein Tintenstrahldrucker zum Tintenstrahldrucken umfaßt einen Stift, in dem kleine Tröpfchen von Tinte gebildet und zu einem Druckmedium hin ausgeworfen werden. Solche Stifte umfassen einen Druckkopf mit einem Öffnungsbauglied oder einer Öffnungsplatte, das/die eine Mehrzahl von kleinen Öffnungen aufweist, durch die Tintentröpfchen ausgestoßen werden. Benachbart zu den Öffnungen sind Tintenkammern, wo sich die Tinte vor dem Auswerfen durch die Öffnung befindet. Die Tinte wird an die Tintenkammern durch Tintenkanäle geliefert, die in Fluidkommunikation mit einem Tintenvorrat stehen. Dieser Tintenvorrat kann in einem Reservoirabschnittsstift oder in einem separaten Tintenbehälter enthalten sein, der von dem Druckkopf im Falle von außeraxialen Tintenvorräten beabstandet ist.
Das Auswerfen eines Tintentröpfchens durch die Öffnung kann durch schnelles Erwärmen eines Volumens von Tinte innerhalb der benachbarten Tintenkammer erreicht werden. Dieser thermische Prozeß bewirkt, daß sich die Tinte innerhalb der Kammer übererwärmt und eine Dampfblase bildet. Die Bildung das Dampfblase ist als "Keimbildung" bekannt. Die schnelle Ausdehnung der Blase zwingt die Tinte durch die Öffnung. Dieser Prozeß wird manchmal als "Abfeuern" bezeichnet. Die Tinte in der Kammer wird typischerweise unter Verwendung eines Widerstandsheizelements erwärmt, das innerhalb der Kammer positioniert ist.
Sobald die Tinte ausgeworfen worden ist, wird die Tintenkammer mit Tinte von einem Tintenkanal wiederbefüllt, der in Fluidkommunikation mit der Tintenkammer steht. Der Tintenkanal ist typischerweise dimensioniert, um die Tintenkammer schnell wiederzubefüllen, um die Druckgeschwindigkeit zu maximieren. Eine Tintenkanaldämpfung ist manchmal vorgesehen, um die Schwerelosigkeit der sich bewegenden Tinte, die in die und aus der Kammer herausfließt, zu dämpfen oder zu steuern. Durch Dämpfen des Tintenflusses zwischen dem Tintenkanal und der Tintenkammer kann eine Unterbefüllung oder Überbefüllung der Tintenkammer, was zu einem Meniskus-Rückschlag bzw. Anschwellen führt, verhindert oder minimiert werden.
Da sich die Dampfblase innerhalb der Tintenkammer ausdehnt, kann sich die ausdehnende Dampfblase in den Tintenkanal ausdehnen. Die Ausdehnung der Dampfblase in die Tintenkammer ist als "Rückstoß" bekannt. Der Rückstoß neigt dazu, die Tinte in den Tintenkanal, entfernt von der Tintenkammer zu zwingen. Das Volumen der Tinte, das die Blase ersetzt, wird durch sowohl die von der Düse ausgestoßene Tinte als auch die Tinte, die hinunter in den Tintenkanal, weg von der Tintenkammer gezwungen wird, berücksichtigt. Daher erhöht der Rückstoß die Menge von Energie, die zum Ausstoßen von Tröpfchen einer gegebenen Größe aus der Tintenkammer notwendig ist. Die zum Ausstoßen eines Tropfens einer gegebenen Größe erforderliche Energie wird als TOE (TOE = Turn-On Energy = Einschaltenergie) bezeichnet. Die Druckköpfe, die hohe Einschaltenergien aufweisen, neigen dazu, weniger effizient zu sein, und müssen daher mehr Wärme abgeben als Druckköpfe mit einer geringeren Einschaltenergie. Unter der Annahme einer gegebenen Fähigkeit, Wärme abzugeben, sind Druckköpfe, die eine höhere thermische Effizienz aufweisen, zu einer höheren Druckgeschwindigkeit oder Druckfrequenz fähig als Druckköpfe, die eine geringere thermische Effizienz aufweisen.
Die Einschaltenergie ist ein ausreichender Betrag von Energie, um eine Dampfblase mit einer ausreichenden Größe zu bilden, um einen vorbestimmten Betrag von Tinte aus der Druckkopföffnung auszustoßen. Die Dampfblase kollabiert dann zurück in die Tintenkammer. Die Komponenten innerhalb des Druckkopfs in der Nähe des Dampfblasenkollaps sind für Kavitationsbelastungen empfänglich, da die Dampfblase zwischen den Abfeuerungsintervallen kollabiert. Besonders anfällig für eine Beschädigung infolge einer Kavitation ist das Heizelement- oder Widerstand. Eine dünne Schutzpassivierungsschicht wird typischerweise über dem Widerstand aufgebracht, um den Widerstand vor Belastungen infolge einer Kavitation zu schützen. Ein Problem bei der Verwendung einer Passivierungsschicht zum Verhindern oder Einschränken eines Kavitationsschadens ist, daß diese Passivierungsschicht dazu neigt, die Einschaltenergie, die zum Ausstoßen von Tröpfchen einer gegebenen Größe erforderlich ist, zu erhöhen.
Die EP-A-641 654 offenbart einen Druckkopf zum Ausstoßen von Fluidtröpfchen, der ein Kammerbauglied aufweist, das eine Kammer mit einem Kammervolumen definiert, wobei das Kammerbauglied eine Öffnung und einen Fluideinlaß, durch den das Fluid in die Kammer fließt, ein Heizbauglied zum Erwärmen des Fluids innerhalb der Kammer definiert, wobei die Anordnung so gestaltet ist, das die Richtung, in die die Fluidtröpfchen aus dem Druckkopf ausgestoßen werden, im wesentlichen mit jener des Fluidflusses aus dem Fluideinlaß in die Kammer identisch ist.
Es gibt einen seit langem bestehenden Bedarf an Druckköpfen, die eine hohe thermische Effizienz aufweisen und zum Drucken bei hohen Druckfrequenzen fähig sind. Diese Druckköpfe sollten zuverlässig sein und zu einem erweiterten Drucken ohne Ausfall fähig sein. Zusätzlich sollten diese Druckköpfe relativ einfach herzustellen sein, so daß die Gesamtkosten des Druckkopfs relativ gering sind.
Schließlich sollten die Druckköpfe in der Lage sein, Hochqualitätsbilder auf einem Druckmedium zu bilden. Diese Druckköpfe sollten in der Lage sein, Tröpfchen mit dem gleichen oder nahezu dem gleichen Tropfenvolumen angesichts einer großen Vielzahl von Tinten, die in dem Druckkopf verwendet werden, zu bilden. Zum Beispiel sollte der Druckkopf in der Lage sein, ein ausgewähltes Tröpfchenvolumen ungeachtet der Tintenoberflächenspannung oder der Tintenviskosität zu liefern. Dies ermöglicht demselben Druckkopf, für eine Vielzahl von unterschiedlichen Druckanwendungen verwendet zu werden. Zusätzlich sollten die durch den Druckkopf gebildeten Tröpfchen keine Schweife aufweisen, die dazu tendieren, ein Verspritzen, eine Pfützenbildung und eine allgemein schlechte Bildqualität zur Folge zu haben. Ferner sollten diese Druckköpfe zu minimalen Bahnenfehlern fähig sein, die zu einer Entstehung neigen, wenn die Tintentröpfchen während des Ausstoßens nicht gut genug definiert sind.
Die vorliegende Erfindung ist ein Druckkopf gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zum Betreiben desselben gemäß Anspruch 9 zum Ausstoßen von Fluidtröpfchen. Der Druckkopf umfaßt ein Kammerbauglied, das eine Kammer definiert. Das Kammerbauglied weist ein Kammervolumen auf, das demselben zugeordnet ist. Das Kammerbauglied definiert eine Öffnung und einen Fluideinlaß, durch den das Fluid zur Kammer fließt. Ebenfalls enthalten ist ein Heizbauglied zum Erwärmen des Fluids innerhalb der Kammer. Die Kammer stößt ein Fluidtröpfchen mit einem Volumen gleich dem Kammervolumen ansprechend auf die Aktivierung des Heizbauglieds aus.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Heizbauglied ein Widerstandsheizelement, das einen Bereich aufweist, der demselben zugeordnet ist, der relativ zum Kammervolumen groß ist, wobei das Verhältnis des Kammervolumens zum Widerstandsbereich vorzugsweise geringer ist als 50 Picoliter pro Quadratmikrometer. Bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Öffnung eine Öffnungsgröße auf, die relativ zu einer Öffnungsgröße, die dem Fluideinlaß zugeordnet ist, groß ist.
Der Druckkopf kann dimensioniert und angeordnet sein, um ein Tröpfchen mit einem Tropfenvolumen, das weniger als 5 Picoliter ist, zu bilden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Perspektive eines Tintenstrahldruckkopfs, der einen Druckkopf beinhaltet, der zum Evakuieren der Tintenkammer gemäß der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist und betrieben wird.
Fig. 2a, 2b u. 2c sind Querschnittsansichten, die eine Tropfenausstoßsequenz für einen Druckkopf darstellen, wodurch die Dampfblase innerhalb der Tintenkammer nach dem Tropfenausstoß kollabiert.
Fig. 3a, 3b, 3c und 3d sind eine Querschnittsansicht einer Tropfenausstoßsequenz für den Druckkopf der vorliegenden Erfindung, wobei die Dampfblase zur Atmosphäre hin entlüftet wird.
Fig. 4 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des Druckkopfs von Fig. 1, die entlang einer der Mehrzahl von Tintenkammern erstellt wurde.
Fig. 5 ist eine Draufsicht des bevorzugten Ausführungsbeispiels von Fig. 1.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPILES

Fig. 1 stellt einen Tintenstrahlstift dar, der einen Druckkopf 12 beinhaltet, der zum Ausführen der vorliegenden Erfindung konfiguriert und angeordnet ist. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Stifts 10 umfaßt einen Stiftkörper 14, der ein internes Reservoir zum Halten eines Vorrats eines Fluids wie Tinte hält. Das Fluid wird aus dem Druckkopf 12 durch eine Mehrzahl von Öffnungen 16, die in Fluidkommunikation mit dem Fluidvorrat innerhalb des Stiftkörpers 14 stehen, ausgestoßen. Alternativ kann das Fluid durch einen Fluidvorrat, der vom Druckkopf 12 wie im Falle der außeraxialen Tintenvorräte beabstandet ist, an den Druckkopf 12 geliefert werden.
Bevor der Druckkopf 12 der vorliegenden Erfindung erörtert wird, ist es hilfreich, zuerst einen zuvor verwendeten Druckkopf 12' und ein Verfahren zum Betrieb für den Druckkopf 12', die in Fig. 2a, 2b und 2c gezeigt sind, zu erörtern. Der Druckkopf 12' ist weder maßstabsgerecht gezeichnet noch soll er die Struktur des Druckkopfs 12' präzise darstellen. Der Druckkopf 12' ist in den Fig. 2a, 2b und 2c mit einer Reihe von Zeitintervallen gezeigt, um eine Tropfenausstoßsequenz für den Druckkopf 12' darzustellen.
Der Druckkopf 12' umfaßt ein Substrat 18, ein Öffnungsbauglied 20 und einen Fluidkanal 22. Das Öffnungsbauglied 20 definiert eine Öffnung 16, aus der das Fluid ausgestoßen wird. Das Substrat 18, die Fluidkanäle 22 und das Öffnungsbauglied 20 definieren zusammen eine Fluidkammer 26. In der Nähe der Fluidkammer 26 ist ein Heizelement 28 positioniert.
Fig. 2a stellt die Bildung einer Dampfblase mit einer Blasenvorderseite 30 dar, die durch gestrichelte Linien dargestellt ist. Die Dampfblase wird bald nach der Aktivierung des Heizelements 28 gebildet. Während der Blasenbildung dehnt sich die Vorderseite 30 radial vom Heizelement 28 in die Fluidkammer 26 aus. Da sich die Dampfblase mit der Blasenvorderseite 30 in die Fluidkammer 26 ausdehnt, wird das Fluid innerhalb der Kammer 26 ersetzt, wodurch das Fluid durch die Öffnung 16 gezwungen wird, wodurch ein Tröpfchen 32 gebildet wird.
Fig. 2b stellt die Blasenausstoßsequenz kurze Zeit nach der Darstellung in Fig. 2a dar. Bei dieser Auftragung hat die Blasenvorderseite 30 ihre Maximalgröße von einer radialen Trennung von dem Heizelement 28 erreicht und beginnt nach hinten, zum Heizelement 28 hin zu kollabieren. Während es von der Öffnung 16 austritt, ist das Tröpfchen 32 durch einen langen Strahl 34 (bzw. Streamer) verbunden. Der Strahl 34 resultiert aus der Oberflächenspannung und der Viskosität des Fluids. Der Strahl 34 neigt dazu, das Tröpfchen 32 an den Druckkopf 12' elastisch zu binden.
Fig. 2c stellt die Tropfenausstoßsequenz des Druckkopfs 12' kurz nach dem Diagramm, das in Fig. 2b gezeigt, dar. Die Blasenvorderseite 30 weist eine nahezu kollabierte Rückseite auf dem Heizelement 28 auf. Der Kollaps der Blasenvorderseite 30 führt zu einem Geschwindigkeitsgradienten in der Region nahe der Öffnungsaustrittsebene, die dazu neigt, den Strahl 34 zu durchbrechen und das Tröpfchen 32 freizugeben. Das Tröpfchen 32 weist einen Schweif 36 auf, der aus dem abgetrennten Strahl 34 resultiert. Der verbleibende Abschnitt 38 des Strahls 34 wird zurück in die Öffnung 16 durch die kollabierende Blasenvorderseite 30 gezogen.
Fig. 3a, 3b, 3c und 3d stellen eine vereinfachte Darstellung des Druckkopfs 12 mit einer Serie von Intervallen dar, um das Tropfenausstoßverfahren der vorliegenden Erfindung darzustellen. Fig. 3a-3d sind weder maßstabsgerecht gezeichnet noch sollen diese Figuren einen tatsächlichen Druckkopf 12 gemäß der Erfindung darstellen, sondern sollen lediglich die Technik zum Bilden von Fluidtröpfchen 32 darstellen.
Fig. 3a stellt den Druckkopf 12 der vorliegenden Erfindung dar, der ein Substrat 18, ein Öffnungsbauglied 20 und einen Fluideinlaß 22 umfaßt. Das Öffnungsbauglied 20 definiert eine Öffnung 16. Das Substrat 18, das Öffnungsbauglied 20 und der Fluideinlaß 22 definieren zusammen eine Fluidkammer 26. Ein Heizelement 28 ist nahe der Fluidkammer 26 positioniert. Der Druckkopf 12 ist kurz nach der Aktivierung des Heizelements 28 gezeigt. Das Erwärmen des Fluids innerhalb der Kammer bildet eine Dampfblase nahe des Heizelements 28. Die Dampfblase weist eine Blasenvorderseite 30 auf, die durch gestrichelte Linien dargestellt ist, die sich nach außen in eine allgemein radiale Richtung von dem Heizelement 28 ausdehnt. Die sich ausdehnende Blasenvorderseite 30 beginnt, das Fluid innerhalb der Kammer 26 zu ersetzen, wodurch das Fluid durch die Öffnung 16 gezwungen wird. Ein Tröpfchen 32 beginnt, von der Öffnung 16 auszutreten, während das Fluid durch die Öffnung 16 gezwungen wird.
Fig. 3b stellt ein weiteres Wachstum der Dampfblase mit der Blasenvorderseite 30 dar. Die Blasenvorderseite 30 dehnt sich radial von dem Heizelement in die Fluidkammer 26 aus. Während die Blasenvorderseite 30 in die Kammer 26 wächst, wird das Fluid innerhalb der Kammer durch die Dampfblase ersetzt, was zum Austreten des Tröpfchens 32 aus der Öffnung 16 führt. Die Dampfblasenvorderseite 30 dehnt sich durch eine Ebene der Öffnung 16 aus und wird zu einer Atmosphäre, die den Druckkopf 12 umgibt, entlüftet. Während der Blasenausdehnungssequenz von Fig. 3a und 3b wird im wesentlichen das gesamte oder ein Großteil des ersetzten Fluids durch die Öffnung 16, wie in Fig. 3b dargestellt ist, ausgestoßen. Daher ist das Volumen des Fluidtröpfchens 32 im wesentlichen gleich dem Volumen der Fluidkammer 26.
Ein relativ kleiner Betrag des Fluids in der Kammer 26 kann in den Fluideinlaß 22 gezwungen werden. Der Druckkopf 12 der vorliegenden Erfindung ist ausgewählt worden, um einen Fluidwiderstand der Öffnung 16 aufzuweisen, der relativ zu einem Fluidwiderstand des Fluideinlasses 22 klein ist, so daß ein Großteil des Kammerfluids durch die Öffnung 16 gezwungen wird. Ein Faktor, der den Fluidwiderstand beeinträchtigt, ist die Größe der Fluidöffnungen für die Öffnung 16 und den Fluideinlaß 22. Weil das Verhältnis der Öffnungsgröße 16 relativ zur Größe des Fluideinlasses 22 für den Druckkopf 12 eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung groß ist, wird ein Großteil des ersetzten Fluids durch die Öffnung 16 ausgestoßen. Andere Faktoren, die den Fluidwiderstand des Fluideinlasses 22 und der Öffnung 16 beeinträchtigen, sind der Gegendruck, der durch den Fluideinlaß oder die Atmosphäre geliefert wird, sowie Flußbeeinträchtigungen, die die Fluidflußrichtung verändern.
Fig. 3c stellt die Tropfenausstoßsequenz des Druckkopfs 12 kurze Zeit nach der Darstellung, die in Fig. 3b gezeigt ist, dar. Nachdem die Blasenvorderseite 30 durch die Ebene der Öffnung 16 gelangt ist, wird die Dampfblase zur Atmosphäre hin entlüftet. Das Entlüften der Dampfblase neigt dazu, zu einer relativ hohen Tropfengeschwindigkeit für das Tröpfchen 32 zu führen. Weil das ausgestoßene Tröpfchen 32 einen hohen Geschwindigkeitsgradienten aufweist, kann das Tröpfchen 32 die Oberflächenspannung und die Viskosität des Fluids überwinden, was die Bildung eines Strahles 34, wie in Fig. 2b gezeigt ist, verhindert. Der Strahl 34 neigt dazu, die Tropfengeschwindigkeit durch elastisches Binden der Tröpfchens 32 an den Druckkopf 12 zu verringern. Weil der Strahl 34 nicht gebildet wird, setzt das Tröpfchen seinen Weg auf einer Bahn zum Druckmedium mit einer hohen Tropfengeschwindigkeit fort. Das Tröpfchen 32, das durch den Druckkopf 12 gebildet wird, neigt dazu, ein einzelnes, kugelförmiges Tröpfchen 32 zu sein, wie in Fig. 3c und 3d gezeigt ist. Sobald die Blase entlüftet worden ist, fließt das Fluid aus dem Fluideinlaß 22 in die Kammer 26, wodurch die Kammer 26, wie in Fig. 3c und 3d gezeigt ist, wiederbefüllt wird.
Fig. 4 und 5 stellen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Druckkopfs 12 der vorliegenden Erfindung dar. Der Druckkopf 12 ist zum Tropfenausstoß gemäß der Technik, die in Fig. 3a, 3b, 3c und 3d offenbart ist, konstruiert. Fig. 4 ist eine stark vergrößerte Querschnittsansicht, die durch den Druckkopf und eine der Öffnungen 16 erstellt wurde. Bei Fig. 4 ist zu sehen, daß die Öffnung 16 in einer äußeren Oberfläche 40 des Öffnungsbauglieds oder der Öffnungsplatte 20 gebildet ist. Das Öffnungsbauglied 20 ist an dem Substrat 18 angebracht. Das Substrat weist eine Siliziumbasis 42 und eine Tragschicht 44 auf, wie nachstehend ausführlicher beschrieben ist.
Die Öffnung 16 ist eine Öffnung durch die Platte 20 einer Fluidkammer 26, die in der Öffnungsplatte 20 gebildet ist. Der Durchmesser der Öffnung 16 kann zum Beispiel etwa 12 bis 16 um betragen.
In Fig. 4 ist die Kammer 26 mit einer sich nach oben verjüngenden Seitenwand 46 gezeigt, wodurch eine im allgemeinen kegelstumpfförmige Kammer definiert ist, deren Boden im wesentlichen durch eine obere Oberfläche 48 des Substrats 18 definiert ist.
Es wird berücksichtigt, daß eine beliebige einer Anzahl von Fluidkammerformen ausreicht, obwohl das Volumen der Kammern allgemein in die Richtung zur Öffnung 16 hin abnimmt. Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 4 kann die Öffnungsplatte 20 unter Verwendung eines aufgeschleuderten oder laminierten Polymers gebildet sein. Das Polymer kann im Handel unter dem Warenzeichen CYCLOTENE von der Firma Dow Chemical erworben werden, das eine Dicke von etwa 10 bis 30 um aufweist. Jeder andere geeignete Polymerfilm wie Polyamid, Polymethylmethacrylat, Polycarbonat, Polyester, Polyamid, Polyethylen-Terephthalat oder Mischungen aus derselben kann verwendet werden. Alternativ kann die Öffnung aus einem goldplattierten Nickelbauglied gebildet sein, das durch elektrolytische Abscheidungstechniken hergestellt ist.
Eine obere Oberfläche 50 der Siliziumbasis 42 ist mit einer Tragschicht 44 beschichtet. Die Tragschicht 44 ist aus einem Siliziumdioxid, Siliziumnitrit, Siliziumcarbit, Tantal, Polysiliziumglas oder einem anderen funktionalen äquivalenten Material mit einer anderen Ätzmittelsensibilität als die Siliziumbasis 42 des Substrats gebildet.
Nachdem die Tragschicht 44 aufgebracht worden ist, werden zwei Fluideinlasse 22 gebildet, um sich durch diese Schicht zu erstrecken. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die obere Oberfläche 48 der Tragschicht 44 strukturiert und geätzt, um die Einlässe 22 zu bilden, bevor die Öffnungsplatte 20 an das Substrat 18 angebracht und bevor ein Kanal 52 in die Basis 42 geätzt wird, wie nachstehend beschrieben ist.
Ein Dünnfilmwiderstand 28 ist an der oberen Oberfläche 48 des Substrats 18 angebracht. Bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Widerstand aufgebracht, nachdem die Einlässe 22 gebildet worden sind, jedoch bevor die Öffnungsplatte 20 an das Substrat 18 angebracht wird. Der Widerstand 28 kann etwa 12 um lang mal 12 um breit sein (siehe Fig. 5). Eine sehr dünne (etwa 0,5 um) Passivierungsschicht (nicht gezeigt) kann auf dem Widerstand aufgebracht sein, um einen Schutz vor den verwendeten Fluiden zu liefern. Diese Passivierungsschicht kann dünner sein oder sogar ausgelassen werden, wenn die Fluide dem Widerstand nicht schädlich sind. Die Gesamtdicke der Tragschicht, des Widerstands und der Passivierungsschicht beträgt etwa 3 um oder weniger.
Der Widerstand 28 befindet sich unmittelbar benachbart zu den Einlässen 22. Der Widerstand 28 dient als eine ohmsche Heizvorrichtung, wenn er durch einen Spannungspuls, der an dieselbe angelegt ist, selektiv mit Energie versorgt wird. In dieser Hinsicht kontaktiert jeder Widerstand 28 an gegenüberliegenden Seiten des Widerstands eine leitfähige Bahn 54. Die Bahnen sind auf dem Substrat 18 aufgebracht und sind mit dem Druckermikroprozessor zum Leiten der Spannungspulse elektrisch verbunden. Die leitenden Bahnen 54 erscheinen in Fig. 5.
Die bevorzugte Öffnungsplatte 20 ist über das Substrat 18 auf der oberen Oberfläche 48 der Tragschicht 44 gelegt. Diesbezüglich kann die Platte 20 laminiert, während sie sich in flüssiger Form befindet, aufgeschleudert, oder an diese Stelle aufgewachsen oder aufgebracht oder plaziert werden. Die Platte 20 haftet an der Tragschicht 44.
Der Widerstand 28 wird selektiv erwärmt oder durch den Mikroprozessor getrieben, um eine Dampfblase mit einer Blasenvorderseite 30 (in Fig. 4 in gestrichelten Linien gezeigt) innerhalb der fluidgefüllten Kammer 26 zu erzeugen. Das Fluid innerhalb der Kammer 26 wird infolge der sich ausdehnenden Blasenvorderseite ausgestoßen, während es durch eine zentrale Achse 56 der Öffnung 16 wandert und an der Öffnung 16 austritt, wodurch die Dampfblase zur Atmosphäre hin entlüftet wird, wie in Fig. 3a-3d gezeigt ist. Während sich die Blasenvorderseite 30 durch die Kammer 26 ausdehnt, wird das Fluid innerhalb der Kammer 26 durch die Öffnung 16 hinausgezwungen.
Ein Fluidkanal 52 ist in der Basis 42 des Substrats 18 gebildet, um mit den Einlässen 22 in Fluidkommunikation zu stehen. Vorzugsweise ist der Kanal 52 durch ein anisotropisches Ätzen von der unteren Seite der Basis 42 hinauf zu einer Unterseite 58 der Tragschicht 44 geätzt.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung fließt das in dem Reservoir des Stiftkörpers 14 vorhandene Fluid durch Kapillarkraft durch jeden Kanal 52 und durch die Einlässe 22, um die Fluidkammer 26 zu füllen. Diesbezüglich kann der Kanal 52 ein beträchtlich größeres Volumen als die Fluideinlässe 22 aufweisen. Der Kanal kann ausgerichtet sein, um das Fluid an mehr als eine Kammer 26 zu liefern. Jeder der Kanäle 52 kann sich erstrecken, um sich mit einem noch größeren Schlitz (nicht gezeigt), der in die Substratbasis 42 geschnitten ist und in direkter Fluidkommunikation mit dem Stiftreservoir steht, zu verbinden. Die Basis 42 des Substrats ist an die Stiftkörperoberfläche gebondet, deren Oberfläche die Grenze des Kanals 52 definiert.
Das gesamte Fluid, das durch die Kammer 26 eintritt, wird durch die Einlässe 22 geleitet. Diesbezüglich umgibt ein unteres Ende 60 der Kammer 26 vollständig die Einlässe 22 und den Widerstand 28.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Verhältnis des Volumens der Kammer 26 zu einem Bereich des Heizelements 28 so niedrig, das sich die Dampfblasenvorderseite ausreichend ausdehnt, um sich über die Öffnung 16 hinaus zu erstrecken, wodurch die Dampfblase zur Atmosphäre hin entlüftet wird. Für ein Widerstandsheizelement ist die Energie pro Einheit Zeit oder Leistung, die durch das Heizelement 28 geliefert wird, auf eine Länge des Widerstands 28 über einen Bereich eines Widerstands 28 bezogen. Für Widerstände, die mit der gleichen Länge gebildet sind, ist die im Widerstand abgegebene Leistung auf den Bereich des Widerstands 28 bezogen. Daher sollte das Verhältnis des Volumens der Kammer 26 zum Widerstandsbereich niedrig sein, um sicherzustellen, daß sich die Dampfblasenvorderseite 30 durch die Öffnung 16 entlüftet, wodurch der gesamte Inhalt der Fluidkammer 26 durch die Öffnung 16 gezwungen wird.
Es ist wichtig, daß sich die Dampfblasenvorderseite 30 so ausdehnt, daß das Fluid innerhalb der Kammer 26 aus der Öffnung 16 heraus und nicht in den Fluideinlaß 22 hineingezwungen wird. Ein Verhältnis eines Öffnungswiderstands zum Rückstoßwiderstand sollte klein sein, um sicherzustellen, daß im wesentlichen das gesamte Fluid innerhalb der Kammer 26 aus der Öffnung 16 heraus und nicht in den Fluideinlaß 22 hineingezwungen wird. Der Öffnungswiderstand bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel bezieht sich auf den Öffnungsbereich. Der Rückstoßwiderstand bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel bezieht sich auf die Summe eines Bereichs von jedem der Fluideinlässe 22.
Tabelle 1 stellt Simulationsergebnisse für mehrere unterschiedliche Druckköpfe 12 mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Konfigurationen dar, die jedoch nicht in den Schutzbereich der Ansprüche 5 und 5 fallen. Die in Tabelle 1 gezeigten Druckköpfe weisen Widerstandsbereiche auf, die in Quadratmikrometer angegeben sind, und Kammervolumen, die in Mikroliter angegeben sind. Anhand der Daten in Tabelle 1 sind die Druckköpfe 12 mit dem Verhältnissen von Kammervolumen zu Widerstandsbereich, die sogar 15,6 betragen können, zum Ausstoßen von im wesentlichen des gesamten Volumens des Fluids innerhalb der Kammer 26 durch die Öffnung 16 geeignet.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind der Widerstand der Öffnung 16 und der Rückstoßwiderstand proportional zu ihren jeweiligen Längen geteilt durch ihre jeweiligen Bereiche. Weil diese Längen konstant sind, können sowohl der Widerstand der Öffnung 16 als auch der Rückstoßwiderstand durch einen Bereich der Öffnung 16 bzw. eines Bereichs des Einlasses 22 dargestellt sein. Der Druckkopf 12, der ein Verhältnis des Öffnungsbereichs zum Einlaßbereich aufweist, das sogar 5 beträgt, ist zum Ausstoßen von im wesentlichen des gesamten Volumens des Fluids innerhalb der Kammer 26 durch die Öffnung 16 geeignet. Die Simulationsergebnisse, die in Tabelle 1 gezeigt sind, sollen nicht die volle Bandbreite darstellen, in der die Kammerevakuierung geschieht, sondern lediglich einige Beispiele darstellen, in denen eine Kammerevakuierung geschieht. TABELLE 1
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel befinden sich die Einlässe 22 unmittelbar benachbart zum Widerstand 28 und sind so dimensioniert, daß die ausgedehnte Blasenvorderseite 30 die Einlässe 22 nach dem Abfeuern blockiert und verhindert, daß das Fluid innerhalb der Kammer 26 zurück in den Kanal 52 geblasen wird. Durch Blockieren der Einlässe 22 wird der effektive Rückstoßwiderstand erhöht, wodurch ermöglicht wird, daß mehr Fluid innerhalb der Kammer 26 durch die Öffnung ausgestoßen werden kann.
Speziell sind die Einlässe 22 mit der Kammer 26 angrenzend (nicht beträchtlich beabstandet von derselben) und sind so angeordnet, daß sich der Übergang des Einlasses 22 und der Kammer 26 sehr nahe am Widerstand 28 befindet. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel ist jeder Einlaß 22 um nicht mehr als 25% der Widerstandsbaugliedlänge vom Widerstand 28 entfernt.
Außerdem ist der Querschnittsbereich des Einlasses am Übergang des Einlasses und der Kammer 26 dimensioniert, um ausreichend klein zu sein, um sicherzustellen, daß die sich ausdehnende Blasenvorderseite 30 den Einlaßbereich abdecken, also blockieren kann. Eine solche Blockierung wird durch die Blasenvorderseite 30 erreicht, wenn sich die Blase in die Einlässe 22 bewegt und dadurch einen beliebigen flüssigen Tintenweg zwischen der Kammer 26 und dem Kanal 52 aufhebt. Wie zuvor erwähnt wurde, verhindert die Aufhebung dieses Wegs, daß das Fluid innerhalb der Kammer 26 zurück in den Kanal 52 geblasen wird, während sich die Blase ausdehnt.
Die Aufhebung des flüssigen Wegs wird am besten erreicht, wenn die Blasenvorderseite 30 die Einlässe 22 vollständig durchdrungen hat und sich leicht in das Volumen des Kanals 52 ausdehnt, wie durch die gestrichelten Linien in Fig. 4 gezeigt ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sollte der Gesamtbereich der Einlässe weniger als etwa 120% des Bereichs des Widerstands betragen.
Die Blockierung der Einlässe durch die ausgedehnte Dampfblase kann bei Druckkopfkonfigurationen auftreten, die nicht mit jenen identisch sind, die soeben in Verbindung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beschrieben wurden. Diesbezüglich kann die Distanz des Einlasses vom Widerstand oder Heizbauglied und der Querschnittsbereich des Einlasses abhängig von bestimmten Variablen größer oder kleiner sein als vorstehend spezifiziert ist. Solche Variablen umfassen die Fluidviskosität und verwandte thermodynamische Eigenschaften, Widerstandswärmeenergie pro Einheit des Widerstandsbereichs und Oberflächenenergie des Materials, entlang dem sich das Fluid und der Dampf bewegen.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt die Widerstandsenergiedichte etwa 4 nJ/m² und die Viskosität der Tinte beträgt etwa 3 cp bei einem Siedepunkt von etwa 100ºC.
Infolge dieser Ausrichtung der Einlässe 22 (also der Ausrichtung der Flußwege 62) liefert das Fluid, das in die Kammer 26 während des Wiederbefüllens fließt, ein Flußmoment zum Anheben der Blasenvorderseite 30, sobald die Blasenvorderseite die Öffnungsebene durchbrochen hat und zur Atmosphäre entlüftet worden ist, so daß die Fluidkammer 26 mit einem Fluid befüllt ist, wie in Fig. 3c bis 3d gezeigt ist.
Es wird darauf hingewiesen, daß, obwohl bei dem soeben beschriebenen Ausführungsbeispiel, das in Fig. 4 und 5 gezeigt ist, eine spezielle Anordnung von Einlässen 22 und eine Widerstandsanordnung offenbart sind, es eine Anzahl von unterschiedlichen Anordnungen gibt, die verwendet werden können. Zum Beispiel sind in Fig. 5 vier Einlässe 22 dargestellt, und es wird darauf hingewiesen, daß weniger oder mehr Einlässe genutzt werden können, während immer noch die erörterte Beziehung der Kammervolumengröße, das Verhältnis des Kammervolumens zum Widerstandsbereich und das Verhältnis des Öffnungswiderstands zum Rückstoßwiderstand erfüllt werden. Zusätzlich können die Einlässe 22 eine Vielzahl von unterschiedlichen Anordnungen relativ zur Kammer 26 aufweisen.
Es gibt mehrere Vorteile für den Betrieb des Druckkopfs 12 der vorliegenden Erfindung, die in Fig. 1, 3a, 3b, 3c, 3d, 4 und 5 gezeigt ist. Erstens wird die Druckqualität des Druckkopfs 12 der vorliegenden Erfindung tendenziell verbessert. Das Tröpfchen 32, das durch den Druckkopf 12 der vorliegenden Erfindung gebildet wird, ist ein einzelnes kleines Tröpfchen, das im wesentlichen kugelförmig ist, das mit einer hohen Geschwindigkeit ohne die Bildung von Bändern ausgestoßen wird.
Durch Bilden der Tröpfchen 32 ohne Bänder 34 werden die Schweife eliminiert oder größtenteils reduziert. Die Schweife 36 auf den Fluidtröpfchen können zu Bahnfehlern oder Pfützenbildung führen, die die Druckqualität verringern. Die höhere Tropfengeschwindigkeit neigt auch dazu, die Bahnfehler zu verringern. Eine höhere Tropfengeschwindigkeit führt zu einem verringerten Intervall, in dem das Tröpfchen 32 externen Kräften wie Luftströmen ausgesetzt ist, wodurch der Einfluß dieser externen Kräfte auf das Tröpfchen 32 verringert wird. Zusätzlich können die Bänder 34 und die Schweife 36 zur Bildung von mehreren kleinen Tröpfchen führen, die dazu neigen, einen Sprühnebel von Tinte und kein einzelnes Tröpfchen zu bilden. Dieser Tintensprühnebel führt tendenziell zu einer schlechten Druckqualität. Im Gegensatz dazu führt die Bildung eines einzelnen kleinen Tröpfchens 32 tendenziell zu gut geformten Tintenpunkten oder Markierungen auf einem Druckmedium, das frei von einer Lachen- oder Pfützenbildung ist, was eine gute Druckqualität zur Folge hat.
Zweitens neigt der Druckkopf 12 der vorliegenden Erfindung dazu, verbesserte thermische Charakteristika aufzuweisen, was es dem Druckkopf ermöglicht, mit niedrigeren Einschaltenergien zu arbeiten und eine geringere Hitzeakkumulierung im Druckkopf 12 aufzuweisen. Die Dampfblase wird im Druckkopf 12 der vorliegenden Erfindung zur Atmosphäre hin entlüftet. Durch Entlüften wird der Dampfblasenkollaps der Dampfblase in die Kammer 26 verhindert. Weil die Dampfblase nicht innerhalb der Kammer 26 kollabiert, kann die Passivierungsschicht, die zum Schützen des Heizelements 28 vor Kavitationsbelastungen verwendet wird, in der Dicke verringert oder ganz eliminiert, was die Einschaltenergie verringert und die Effizienz des Druckkopfs 12 erhöht. Zusätzlich wird durch das Entlüften der Dampfblase die latente Kondensationswärme in die Atmosphäre freigegeben, wodurch Wärme vom Druckkopf 12 freigegeben wird, wodurch die Akkumulation von Wärme innerhalb des Druckkopfs 12 verhindert wird. Die Akkumulation vom Wärme innerhalb des Druckkopfs 12 führt tendenziell zu einer Überwärmung des Druckkopfs 12 oder einer bestimmten Einschränkung auf die Druckgeschwindigkeit, um eine Überwärmung des Druckkopfs 12 zu verhindern.
Schließlich stößt der Druckkopf 12 der vorliegenden Erfindung im wesentlichen die gesamte Tinte innerhalb der Kammer 26 aus. Daher wird die Tröpfchengröße im wesentlichen durch die Kammergröße 26 und nicht durch Faktoren bestimmt, die die Tropfengröße für den zuvor verwendeten Druckkopf 12' wie Widerstandsgröße, Fluidviskosität und Oberflächenspannung modulieren. Daher kann der Druckkopf 12 der vorliegenden Erfindung eine konstantere Tropfengröße unabhängig von verschiedenen Herstellungsvariablen und Tintenformulierungen liefern, was eine bessere Druckqualität erzeugt.

Claims

1. Ein Druckkopf (12) zum Ausstoßen von Fluidtröpfchen (32), der folgende Merkmale aufweist:

ein Kammerbauglied (18, 20), das eine Kammer (26) mit einem Kammervolumen definiert, wobei das Kammerbauglied (18, 20) eine Öffnung (16) und einen Fluideinlaß (22) definiert, durch den ein Fluid zur Kammer (26) fließt; und

ein Heizbauglied (28) zum Erwärmen des Fluids in der Kammer (26), wobei die Kammer (26) so aufgebaut ist, daß die Kammervolumengröße, das Verhältnis von Kammervolumen zu Widerstandsbereich, das Verhältnis von Öffnungswiderstand zu Rückstoßwiderstand so beschaffen sind, daß die Kammer, ansprechend auf eine Aktivierung des Heizbauglieds (28), während der Verwendung ein Fluidtröpfchen (32) mit einem Volumen ausstößt, das im wesentlichen gleich dem Kammervolumen ist, wobei die Anordnung so beschaffen ist, daß die Richtung, in die die Fluidtröpfchen aus dem Druckkopf (12) ausgestoßen werden, im wesentlichen die gleiche ist wie die des Fluidflusses von dem Fluideinlaß (22) in die Kammer (26).

2. Der Druckkopf (12) gemäß Anspruch 1, bei dem das Heizbauglied (28) ein resistives Heizelement ist, das einen ihm zugeordneten Bereich aufweist, der relativ zum Kammervolumen groß ist.

3. Der Druckkopf (12) gemäß Anspruch 1, bei dem die Öffnung (16) eine Öffnungsgröße aufweist, die relativ zu einer Öffnungsgröße, die dem Fluideinlaß (22) zugeordnet ist, groß ist.

4. Der Druckkopf (12) gemäß Anspruch 1, bei dem die Kammer (26) relativ zum Heizbauglied (28) dimensioniert ist, um nur ein einzelnes Fluidtröpfchen (32) zu bilden.

5. Der Druckkopf (12) gemäß Anspruch 1, bei dem der Druckkopf (12) dimensioniert und angeordnet ist, um ein Tröpfchen (32) mit einem Tropfenvolumen zu bilden, das weniger als 5 Picoliter beträgt.

6. Der Druckkopf (12) gemäß Anspruch 1, bei dem das Heizbauglied (28) ein Widerstand mit einem Widerstandsbereich ist, der demselben zugeordnet ist, wobei der Druckkopf (12) ein Verhältnis von Kammervolumen zu Widerstandsvolumen aufweist, das weniger als 5 Picoliter pro Quadratmikrometer beträgt.

7. Der Druckkopf (12) gemäß Anspruch 1, bei dem die Kammer (26) so angeordnet und positioniert ist, um ein einzelnes Fluidtröpfchen (32) ohne einen Schweifabschnitt (36) auszustoßen.

8. Der Druckkopf (12) gemäß Anspruch 1, bei dem das Heizbauglied (28) mit ausreichend Energie relativ zum Kammervolumen versehen wird, damit die Dampfblase zur Atmosphäre entlüftet wird.

9. Ein Verfahren zum Bilden von Fluidtröpfchen (32), das folgende Schritte aufweist:

Befüllen einer Kammer (26) mit Fluid, wobei die Kammer (26) durch ein Kammerbauglied (18, 20) im Druckkopf (12) definiert ist, wobei das Kammerbauglied eine Öffnung (16) definiert; und

Erwärmen des Fluids in der Kammer (26) unter Verwendung eines Heizelements (28) in der Kammer (26), um eine expandierende Dampfblase zu bilden, wobei die Dampfblase eine Blasenvorderseite (30) aufweist, die eine anfängliche Position nahe dem Heizelement (28) und eine finale Position nahe der Öffnung (16) aufweist, woraufhin die Dampfblase zur Atmosphäre entlüftet wird, wobei die expandierende Dampfblase ein Volumen des Fluids gleich einem Volumen der Kammer (26) während der Expansion von der anfänglichen Position zur finalen Position verschiebt, wobei die Anordnung so beschaffen ist, daß die Richtung, in die die Fluidtröpfchen aus dem Druckkopf (12) ausgestoßen werden, im wesentlichen identisch mit der des Fluidflusses von dem Fluideinlaß (22) in die Kammer (26) ist, und die Kammer (26) so aufgebaut ist, daß die Kammervolumengröße, das Verhältnis von Kammervolumen zu Widerstandsbereich, das Verhältnis von Öffnungswiderstand zu Rückstoßwiderstand der Kammer erlauben, während der Verwendung, ein Fluidtröpfchen auszustoßen, das bezüglich des Volumens im wesentlichen gleich dem Kammervolumen ist.

10. Das Verfahren zum Bilden von Fluidtröpfchen (32) gemäß Anspruch 9, das ferner ein Wiederholen des Befüllens einer Kammer (26) mit einem Fluid und ein Erwärmen des Fluids innerhalb der Kammer (26) bei einer maximalen Betriebsfrequenz umfaßt, die größer als eine maximale Betriebsfrequenz ist, die einem entsprechenden Druckkopf (12) zugeordnet ist, bei dem die Dampfblase zur Atmosphäre entlüftet wird.