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Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft einen Tintenstrahl-Druckkopf. Insbesondere betrifft
die Erfindung einen Tintenstrahl mit beweglicher Düse.
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Hintergrund der Erfindung
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EP-A-0510648 beschreibt
einen Tintenstrahl-Druckkopf mit einer Vielzahl von Düsen. Jede Düse hat eine
externe Betätigungsvorrichtung
und einen Dachabschnitt mit einer Öffnung. Der Dachabschnitt definiert
eine innere Oberfläche
zum Berühren
der Druckfarbe und eine gegenüberliegende äußere Oberfläche, die
wirksam mit der externen Betätigungsvorrichtung
verbunden ist.
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Die
meisten Tintenstrahl-Druckköpfe
der Art, die unter Verwendung von Micro-Electro Mechanical Systems
(MEMS) Technik hergestellt werden, wurden in einer Konstruktion
vorgeschlagen, die Düsenkammern
verwendet, die in MEMS-Schichten zuoberst auf einem Trägermaterial
gebildet sind, wobei Düsenkammern
in den Schichten gebildet sind. Jede Kammer ist mit einer beweglichen
Schaufel ausgestattet, die von irgendeiner Form von Betätigungsvorrichtung
betätigt
wird, um bei Empfang eines elektrischen Signals an die Betätigungsvorrichtung
Druckfarbe in einem Tropfen durch die mit der Kammer assoziierte
Düse zu
drücken.
Eine derartige Konstruktion ist durch die Offenbarung in meiner
internationalen Patenanmeldung
PCT/AU99/00894 verkörpert.
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Die
vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass es Vorteile
bringt, auf die Schaufeln zu verzichten und zu bewirken, dass Druckfarbentropfen
durch Verringern der Größe der Düsenkammer aus
der Düse
gedrückt
werden. Man erkannte, dass dies erreicht werden kann, indem die
Betätigungsvorrichtung
veranlasst wird, die Düse
selbst in der Kammer nach unten zu bewegen, wodurch die Schaufel wegfällt, die
Konstruktion vereinfacht wird und eine Umgebung vorgesehen wird,
die weniger anfällig
in Bezug auf das Auslaufen von Druckfarbe aus der Düsenkammer
ist.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß der Erfindung
wird ein Tintenstrahl-Druckkopf bereitgestellt, der Folgendes umfasst:
eine
Vielzahl von Düsen,
die jeweils dazu angepasst sind, Tropfen von Druckfarbe zu einer
zu bedruckenden Oberfläche
hin auszustoßen,
wobei,
jede der Düsen
eine externe Betätigungsvorrichtung und
einen Dachabschnitt mit einer Öffnung
umfasst, wobei der Dachabschnitt eine innere Oberfläche zum Berühren der
Druckfarbe und eine gegenüberliegende äußere Oberfläche umfasst,
die wirksam mit der externen Betätigungsvorrichtung
verbunden ist, wobei
der Dachabschnitt relativ zu einem Bodenabschnitt der
Düse beweglich
ist, dadurch gekennzeichnet, dass:
die Betätigungsvorrichtung eine Biege-Betätigungsvorrichtung
ist, die einen Joule-erwärmten
Kragarm umfasst, der von einem nicht erwärmten Kragarm eingezwängt wird,
wobei
ein proximales Ende der Biege-Betätigungsvorrichtung auf dem
Trägermaterial
angebracht ist und ein distales Ende der Biege-Betätigungsvorrichtung
am Dachabschnitt befestigt ist und diesen trägt, so dass im Gebrauch die
Betätigung
der Betätigungsvorrichtung
Druckfarbe durch den Dachabschnitt mit einer Öffnung ausstößt, indem
der Dachabschnitt zum Bodenabschnitt bewegt wird.
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Vorzugsweise
umfasst jede der Düsen
weiter eine zugehörige
Düsenkammer,
die dazu angepasst ist, über
mindestens eine Leitung in einem darunter liegenden Trägermaterial
mit Druckfarbe versorgt zu werden.
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Vorzugsweise
hat der Dachabschnitt eine Seitenwand, die von seinem Umfang herunterhängt, um
teleskopisch mit einer sich vom gegenüberliegenden Bodenabschnitt
erstreckenden Umfangsseitenwand in Eingriff zu treten, um die Düsenkammer
zu definieren.
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Vorzugsweise
steht die Leitung im darunter liegenden Trägermaterial durch eine Öffnung im
Bodenabschnitt mit der Düsenkammer
in Verbindung, wobei die Öffnung
ausreichend groß ist,
um den Fluss von Druckfarbe durch sie hindurch nicht maßgeblich
zu behindern.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ungeachtet
allfälliger
anderer Formen, die in ihrem Umfang enthalten sein können, wird
nun eine bevorzugte Form der Erfindung lediglich beispielhaft unter
Verweis auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
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1 eine
teilweise weggeschnittene perspektivische Ansicht einer Tintenstrahleinheit
mit beweglicher Düse
ist;
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2 eine ähnliche
Ansicht ist wie 1, die die Biege-Betätigungsvorrichtung
der beweglichen Düse
in gebogenem Zustand zeigt, so dass ein Tropfen Druckfarbe veranlasst
wird, aus der Düse herauszuragen;
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3 eine ähnliche
Ansicht ist wie 1, die die Düse in ihre Ausgangsposition
zurückgekehrt und
einen aus der Düse
ausgestoßenen
Tropfen Druckfarbe zeigt;
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6 eine ähnliche
Ansicht ist wie 5, die die Biege-Betätigungsvorrichtung
in gebogenem Zustand und einen aus der Düse herausragenden Tropfen Druckfarbe
zeigt;
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7 eine ähnliche
Ansicht ist wie 5, die die Biege-Betätigungsvorrichtung
in geradem Zustand und einen Tropfen Druckfarbe, der aus der Düse ausgestoßen wird,
zeigt;
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8 eine ähnliche
Ansicht ist wie 1, ohne die weggeschnittenen
Abschnitte;
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9 eine ähnliche
Ansicht ist wie 8, in der Düse und Biege-Betätigungsvorrichtung
entfernt sind und die eine optionale Verengung in der Düsenkammer
zeigt;
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10 eine ähnliche
Ansicht ist wie 9, in der die oberen Schichten
entfernt sind; und
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11 eine ähnliche
Ansicht ist wie 1, in der die Biege-Betätigungsvorrichtung
weggeschnitten ist und der Betätigungsvorrichtungsanker
zur Klarheit abgelöst
ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Man
erkennt, dass eine große
Zahl ähnlicher Düsen unter
Verwendung von MEMS- und CMOS-Technik gleichzeitig hergestellt werden,
wie in unseren gleichzeitig hängigen
Patentanmeldungen beschrieben wird, auf die am Anfang dieser Spezifikation
verwiesen wird.
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Zum
Zweck der Klarheit wird nun der Aufbau nur einer einzelnen Tintenstrahldüse beschrieben.
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Während bei
der herkömmlichen
Tintenstrahlkonstruktion der in unseren vorangehend erwähnten gleichzeitig
anhängigen
Patentanmeldungen beschriebenen Art, Druckfarbe durch die Bewegung
einer Schaufel in der Kammer aus einer Düsenkammer ausgestoßen wird,
wird gemäß der vorliegenden
Erfindung auf die Schaufel verzichtet und Druckfarbe wird durch
eine Öffnung
(Düse)
in der Oberseite der Kammer ausgestoßen, die durch eine Biege-Betätigungsvorrichtung
nach unten bewegt wird, wodurch das Kammervolumen verringert wird und
bewirkt wird, dass Druckfarbe durch die Düse ausgestoßen wird.
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In
dieser Spezifikation ist der Begriff "Düse" als ein Element
zu verstehen, das eine Öffnung
definiert und nicht als die Öffnung
selbst. Des Weiteren werden die relativen Begriffe "obere/r" und "untere/r" und ähnliche
Begriffe unter Verweis auf die beiliegenden Zeichnungen verwendet
und sind als in keiner Weise einschränkend für die Orientierung der Tintenstrahldüse im Gebrauch
zu verstehen.
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Wie
in 1 bis 3 der beiliegenden Zeichnungen
zu sehen, ist die Düse
mittels MEMS-Technik
auf einem Trägermaterial 1 aufgebaut
und definiert eine Druckfarbenvorratsöffnung 2 durch eine
sechseckige Öffnung 3 (die
eine beliebige andere geeignete Konfiguration haben könnte) in eine
Kammer 4, die durch den Bodenabschnitt 5, den Dachabschnitt 6 und
die teleskopisch überlappenden Umfangsseitenwände 7 und 8 definiert
ist. Die Seitenwände 7,
die vom Dachabschnitt 6 herunterhängen sind so dimensioniert,
dass sie sich innerhalb der Seitenwände 8, die vom Bodenabschnitt 5 nach
oben ragen, nach oben und nach unten bewegen können.
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Die
Ausstoßdüse wird
durch den Rand 9 gebildet, der sich im Dachabschnitt 6 befindet,
um eine Öffnung
für das
Ausstoßen
von Druckfarbe aus der Düsenkammer
zu definieren, wie nachfolgend weiter beschrieben wird.
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Der
Dachabschnitt 6 und die herunterhängenden Seitenwände 7 werden
von einer Biege-Betätigungsvorrichtung 10 getragen,
die typischerweise aus Schichten besteht, die einen Joule-erwärmten Kragarm
bilden, der von einem nicht erwärmten Kragarm
eingezwängt
wird, so dass die Erwärmung des
Joule-erwärmten
Kragarms eine differenzielle Expansion zwischen dem Joule-erwärmten Kragarm und
dem nicht erwärmten
Kragarm verursacht, wodurch die Biege-Betätigungsvorrichtung 10 veranlasst
wird, sich zu biegen.
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Das
proximale Ende 11 der Biege-Betätigungsvorrichtung ist am Trägermaterial 1 befestigt und
wird durch ein Ankerglied 12, das später beschrieben wird, daran
gehindert, sich nach hinten zu bewegen und das distale Ende 13 ist
am Dachabschnitt 6 und den Seitenwänden 7 der Tintenstrahldüse befestigt
und trägt
diese.
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Im
Gebrauch wird Druckfarbe durch den Durchgang 2 und die Öffnung 3 auf
beliebige geeignete Weise in die Düsenkammer zugeführt, typischerweise
jedoch so, wie in unseren gleichzeitig anhängigen Patentanmeldungen beschrieben,
auf die vorangehend verwiesen wurde. Wenn es gewünscht wird, einen Tropfen Druckfarbe
aus der Düsenkammer
auszustoßen,
wird ein elektrischer Strom an die Biege-Betätigungsvorrichtung 10 zugeführt, der
bewirkt, dass sich die Betätigungsvorrichtung
in die in 2 gezeigte Position biegt und
den Dachabschnitt 6 nach unten zum Bodenabschnitt 5 bewegt.
Diese Relativbewegung verringert das Volumen der Düsenkammer
und bewirkt, dass Druckfarbe sich nach oben durch den Düsenrand 9 wölbt, wie
unter 14 (2) gezeigt, wo sie durch die
Oberflächenspannung
in der Druckfarbe zu einem Tröpfchen
geformt wird.
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Wenn
der elektrische Strom von der Biege-Betätigungsvorrichtung 10 entfernt
wird, kehrt die Betätigungsvorrichtung
in die gerade Konfiguration zurück,
wie in 3 gezeigt und bewegt den Dachabschnitt 6 der
Düsenkammer
nach oben an den Ausgangsort. Der Impuls des teilweise geformten Druckfarbentröpfchens 14 bewirkt,
dass sich das Tröpfchen
weiterhin nach oben bewegt und einen Druckfarbentropfen 15 bildet,
wie in 3 gezeigt, der auf die benachbarte Papieroberfläche oder
einen anderen zu bedruckenden Gegenstand geschleudert wird.
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In
einer Form der Erfindung ist die Öffnung 3 im Bodenabschnitt 5 relativ
groß verglichen
mit dem Querschnitt der Düsenkammer
und das Tintentröpfchen
wird bei Abwärtsbewegung
des Dachabschnitts 6 durch Viskositätswiderstand in den Seitenwänden der Öffnung 2 und
in den Zufuhrleitungen, die vom Druckfarbenbehälter (nicht abgebildet) zur Öffnung 2 führen, veranlasst,
durch den Düsenrand 9 ausgestoßen zu werden.
Dies ist ein Unterschied gegenüber vielen
bisherigen Formen von Tintenstrahldüsen, bei denen der "Gegendruck" in der Düsenkammer,
der bewirkt, dass die Druckfarbe bei Betätigung durch den Düsenrand
ausgestoßen
wird, durch eine oder mehrere Umlenkplatten am unmittelbaren Ort
der Düsenkammer
verursacht wird. Diese Art von Konstruktion kann mit einem Tintenstrahl
mit beweglicher Düse
der vorangehend beschriebenen Art verwendet werden und wird nachfolgend
unter speziellem Verweis auf 9 und 10 weiter
beschrieben, in der in 1 bis 3 gezeigten
Form der Erfindung wird der Gegendruck jedoch hauptsächlich durch
Viskositätswiderstand
und Druckfarbenträgheit
in der Zufuhrleitung gebildet.
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Um
zu verhindern, dass Druckfarbe während der
Betätigung,
d. h. während
des Biegens der Biege-Betätigungsvorrichtung 10,
aus der Düsenkammer
ausläuft,
wird eine Fluiddichtung zwischen den Seitenwänden 7 und 8 gebildet,
wie nun unter speziellem Verweis auf 3 und 4 weiter
beschrieben wird.
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Die
Druckfarbe wird während
der Relativbewegung des Dachabschnitts 6 und des Bodenabschnitts 5 durch
die geometrischen Merkmale der Seitenwände 7 und 8 in
der Düsenkammer
gehalten, die sicherstellen, dass Druckfarbe durch Oberflächenspannung
in der Düsenkammer
gehalten wird. Zu diesem Zweck ist ein sehr schmaler Spalt zwischen
der herabhängenden
Seitenwand 7 und der ihr gegenüberliegenden Oberfläche 16 der
nach oben ragenden Seitenwand 8 vorgesehen. Wie in 4 deutlich
zu sehen ist, wird die Druckfarbe (als dunkel schraffierter Bereich
gezeigt) durch die Nähe
der zwei Seitenwände
in der kleinen Öffnung
zwischen der herabhängenden
Seitenwand 7 und den nach innen weisenden Seiten 16 der
sich nach oben erstreckenden Seitenwand festgehalten, was sicherstellt, dass
die Druckfarbe über
die freie Öffnung 17 durch Oberflächenspannung
infolge der großen
Nähe der Seitenwände selbst
dichtet.
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Um
Vorkehrungen für
allfällige
Druckfarbe zu treffen, die infolge von Verunreinigungen oder anderen
Faktoren, die die Oberflächenspannung
zerstören
können,
dem Festhalten durch die Oberflächenspannung
entgehen kann, ist die nach oben ragende Seitenwand 8 in
der Form einer nach oben weisenden Rinne vorgesehen, die nicht nur
die innere Oberfläche 16 hat,
sondern eine beabstandete parallele äußere Oberfläche 18, die eine U-förmige Rinne 19 zwischen
den beiden Oberflächen
bildet. Allfällige Druckfarbentropfen,
die der Oberflächenspannung zwischen
den Oberflächen 7 und 16 entgehen,
laufen in die U-förmige
Rinne über,
wo sie zurückgehalten werden,
statt durch Dochtwirkung über
die Oberfläche
der Düsenschichten
zu gelangen. Auf diese Weise wird eine Doppelwand-Fluiddichtung
gebildet, die wirksam ist, die Druckfarbe innerhalb des beweglichen
Düsenmechanismus
zu halten.
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Wie
bereits in einigen unserer gleichzeitig hängigen Anmeldungen beschrieben
wurde, ist es in manchen Situationen wünschenswert, eine "Düsen-Stechvorrichtung" vorzusehen, um allfällige Verunreinigungen
zu entfernen, die sich in der Düsenöffnung ansammeln
können
und um das saubere und klare Ausstoßen eines Tröpfchens
aus der Düse
bei Betätigung
sicherzustellen. Eine Konfiguration der vorliegenden Erfindung,
die eine Stechvorrichtung in Kombination mit einem Tintenstrahl
mit beweglicher Düse
nutzt, ist in den beiliegenden 5, 6 und 7 gezeigt.
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5 ist ähnlich wie 1,
mit dem Zusatz einer Brücke 20 über der Öffnung 3 im
Boden der Düsenkammer,
auf der eine sich nach oben erstreckende Stechvorrichtung 21 angebracht
ist, die dazu dimensioniert ist, während der Betätigung in
und/oder durch die Ebene der Düse
zu ragen.
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Wie
in 6 zu sehen, wird, wenn der Dachabschnitt 6 durch
das Biegen der Biege-Betätigungsvorrichtung 10 nach
unten bewegt wird, die Stechvorrichtung 21 veranlasst,
nach oben durch die Öffnung des
Düsenrands 9 und
teilweise in den sich wölbenden
Druckfarbentropfen 14 zu stechen.
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Wenn
der Dachabschnitt 6 in seine Ausgangsposition zurückehrt,
wenn sich die Biege-Betätigungsvorrichtung 10,
wie in 7 gezeigt, gerade stellt, wird das Druckfarbentröpfchen,
wie vorangehend beschrieben, gebildet und ausgestoßen und
die Stechvorrichtung 21 ist wirksam zum Lösen oder Wegbrechen
von trockener Druckfarbe, die sich über dem Düsenrand bilden kann und die
andernfalls die Düse
verstopfen würde.
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Man
erkennt, dass wenn die Biege-Betätigungsvorrichtung 10 gebogen
wird und bewirkt, dass sich der Dachabschnitt nach unten in die
in 2 gezeigte Position bewegt, sich der Dachabschnitt
relativ zum Bodenabschnitt 5 neigt und bewirkt, dass sich die
Düse in
eine Orientierung bewegt, die an der Stelle der Bildung des Druckfarbentröpfchens
nicht parallel zur zu bedruckenden Oberfläche ist. Wenn sie nicht korrigiert
wird, würde
diese Orientierung bewirken, dass das Druckfarbentröpfchen 15 in
einer Richtung aus der Düse
ausgestoßen
wird, die nicht ganz senkrecht zur Ebene des Bodenabschnitts 5 und
den Schichten der Düsen
im Allgemeinen ist. Das würde zu
Ungenauigkeiten beim Drucken führen,
insbesondere, da manche Düsen
in einer Richtung orientiert sein können und andere Düsen in einer
anderen, typischerweise entgegengesetzten Richtung.
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Die
Korrektur dieser nicht senkrechten Bewegung kann erreicht werden,
in dem der Düsenrand 9 mit
einer asymmetrischen Form ausgestattet wird, wie deutlich in 8 zu
sehen ist. Die Düse
ist typischerweise am Ende 22, das näher an der Biege-Betätigungsvorrichtung 10 liegt,
breiter und flacher und am Ende 23, das weiter von der
Biege-Betätigungsvorrichtung
entfernt ist, schmaler und spitzer. Diese Verschmälerung des
Düsenrands
am Ende 23 erhöht die
Kraft der Oberflächenspannung
am schmalen Teil der Düse,
was in einer, durch den Pfeil 24A angezeigten, resultierenden
Tropfenvektorkraft in der Richtung zur Biege-Betätigungsvorrichtung resultiert, wenn
der Tropfen aus der Düse
ausgestoßen
wird. Diese resultierende Kraft schleudert den Druckfarbentropfen
in einer Richtung, die nicht senkrecht zum Dachabschnitt 6 ist
und kann daher maßgeschneidert
werden, um die geneigte Orientierung des Dachabschnitts an der Ausstoßstelle
des Druckfarbentropfens auszugleichen.
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Durch
sorgfältiges
Maßschneidern
der Form und Eigenschaften des Düsenrands 9 ist
es möglich, die
Neigung des Dachabschnitts 6 während der Betätigung vollständig auszugleichen
und den Druckfarbentropfen in einer zum Bodenabschnitt 5 senkrechten
Richtung von der Düse
zu schleudern.
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Obwohl,
wie vorangehend beschrieben, der Gegendruck auf die in der Düsenkammer
gehaltene Druckfarbe durch Viskositätswiderstand in den Zufuhrleitungen
bereitgestellt werden kann, ist es außerdem möglich einen Tintenstrahl mit
beweglicher Düse
mit Gegendrücken
mittels erheblicher Verengung nah bei der Düse vorzusehen. Diese Verengung
ist typischerweise in den Trägermaterialschichten
vorgesehen, wie deutlich in 9 und 10 zu sehen. 9 zeigt
die Seitenwand 8, von der sich eines oder mehrere Umlenkglieder 24 nach
innen erstrecken, was zu einer Öffnung 25 mit
verengtem Querschnitt direkt unter der Düsenkammer führt. Die Bildung dieser Öffnung ist
in 10 zu sehen, in der die oberen Schichten (in 9 gezeigt)
zur Klarheit entfernt wurden. Diese Form der Erfindung kann die angrenzende
Positionierung von Zusatzkomponenten zulassen, wie beispielsweise
Leistungsleiter und Signalleiter, was in manchen Konfigurationen
und mancher vorgesehener Verwendung des Tintenstrahl mit beweglicher
Düse wünschenswert
ist. Obwohl die Verwendung einer verengten Umlenkplatte auf diese Weise
diese Vorteile hat, führt
sie außerdem
zu einer längeren
Nachfüllzeit
für die
Düsenkammer,
was die Betriebsgeschwindigkeit des Druckers in manchen Anwendungen übermäßig einschränken kann.
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Die
Biege-Betätigungsvorrichtung,
die aus einem Joule-erwärmten
Kragarm 28 gebildet ist, der über einem nicht erwärmten Kragarm 29 positioniert ist,
die am distalen Ende 13 miteinander verbunden sind, muss
fest verankert sein, um die Relativbewegung zwischen dem Joule-erwärmten Kragarm 28 und
dem nicht erwärmten
Kragarm 29 am proximalen Ende 11 zu verhindern,
während
die Zufuhr von elektrischem Strom in den Joule-erwärmten Kragarm 28 vorgesehen
wird. 11 zeigt den Anker 12,
der in einer U-förmigen
Konfiguration mit einem Sockelabschnitt 30 und Seitenabschnitten 31 vorgesehen
ist, deren untere Enden jeweils in das Trägermaterial 26 geformt
sind oder darin eingebettet sind. Die Bildung der Biege-Betätigungsvorrichtung
in einer U-Form verleiht der Stirnwand 30 große Steifigkeit,
so dass jede Biegung oder Verformung der Stirnwand 30 relativ
zum Trägermaterial 26 bei
Bewegung der Biege-Betätigungsvorrichtung
verhindert wird.
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Der
nicht erwärmte
Kragarm 29 ist mit sich nach außen erstreckenden Laschen 32 ausgestattet, die
in Aussparungen 33 in der Seitenwand 31 sitzen, was
für weitere
Steifigkeit sorgt und die Relativbewegung zwischen dem nicht erwärmten Kragarm 29 und dem
Joule-erwärmten Kragarm 28 in
der Nähe
des Ankers 27 verhindert.
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Auf
diese Weise wird das proximale Ende der Biege-Betätigungsvorrichtung
sicher und fest verankert und alle Relativbewegungen zwischen dem
Joule-erwärmten
Kragarm und dem nicht erwärmten
Kragarm in der Nähe
des Ankers werden verhindert. Das führt zu besserer Bewegungseffizienz
des Dachabschnitts 6 des Tintenstrahls mit beweglicher
Düse.