DE19751790C2

DE19751790C2 - Vorrichtung zum Abgeben einer Schreibflüssigkeit von einem Druckkopf und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE19751790C2
Application number: DE19751790A
Authority: DE
Inventors: Hae Yong Choi
Original assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date: 1997-03-07
Filing date: 1997-11-21
Publication date: 1999-08-05
Anticipated expiration: 2017-11-22
Also published as: GB9724165D0; FR2760404A1; JP2927764B2; JPH10250075A; CN1192962A; GB2322831B; KR100221459B1; GB2322831A; KR19980079246A; DE19751790A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abgeben einer Schreibflüssigkeit von einem Druckkopf und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Allgemein verbreitete Druckköpfe verwenden für ge wöhnlich ein sogenanntes Drop-On-Demand-System (DOD). Das DOD-System wird zunehmend verwendet, da der Druck vorgang einfach durch sofortiges Abgeben oder Aussprit zen von Tröpfchen der Schreibflüssigkeit unter Atmo sphärendruck durchgeführt werden kann, was weder ein Aufladen oder Umlenken der Tröpfchen der Schreibflüs sigkeit noch hohen Druck benötigt.

Es sind Druckköpfe bekannt, welche eine Form/Gedächtnislegierung zur Abgabe der Schreibflüssig keit verwenden. Bei einem solchen Druckkopf (japanische offengelegte Patentanmeldung JP 63-57251 A) ist das die Flüssigkeits-/Tintenkammer mit der Düse abschlie ßende Antriebselement aus einer Formgedächtnis-Legie rungsmembran auf einer flexiblen, beheizbaren Träger platte angeordnet, die von der Energieversorgungsein heit entsprechend dem zu druckenden Muster oder Buch staben angesteuert wird. Der Membran muß sich in zwei Richtungen verformen bzw. dehnen und omnidirektional schrumpfen. Aufgrund ihrer Ausbildung ist die Kammer nicht sehr klein ausbildbar. Die Tinte wird etwa paral lel zum Dünnfilm aus der Flüssigkeitskammer ausgesto ßen.

Bei einem ähnlichen Antriebselement eines Druck kopfs (japanische offengelegte Patentanmeldung JP 6-91 865 A) ist eine Vibrationsmembran aus einer Form/Ge dächtnis-Legierungsschicht auf einen die Form bestim menden Trägerkörper auflaminiert. Die Membran wird durch die Erwärmung bis zur Transformationstemperatur aufgrund der Ansteuerung mit der Energieversorgungsein richtung verformt und dabei zur Schreibflüssigkeitsab gabe durchgebogen. Auch hier erfolgt der Schreibflüs sigkeitsausstoß etwa parallel zur Membran und hat die Flüssigkeitskammer eine Mindestgröße. Die Ausstoßfre quenz ist daher begrenzt.

Infolgedessen ist es Aufgabe der in den Patentan sprüchen gekennzeichneten Erfindung, eine Vorrichtung zum Abgeben einer Schreibflüssigkeit von einem Druck kopf derart weiterzubilden, daß unter Erhalt einer kom pakten Bauweise und geringem Energiebedarf die Ausstoß frequenz des Druckkopfs weiter erhöht werden kann, so wie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vor richtung anzugeben.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 1 bzw. durch ein Ver fahren mit den Merkmalen nach Anspruch 9.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Schreib flüssigkeit abgegeben oder ausgespritzt wird, indem der Druck einer Flüssigkeitskammer durch Deformationen ge ändert wird, welche während des Phasentransfor mationsvorganges eines Dünnfilms einer Form/Gedächt nislegierung verursacht werden, so daß die Form/Ge dächtnislegierung eine Betätigungskraft in erheblicher Höhe hat, um ein Verstopfen einer Düse zu verringern oder auszuschließen, und wobei der Dünnfilm eine derart hohe Deformationsfähigkeit oder -quantität hat, daß der Dünnfilm aus der Form/Gedächtnislegierung in kleiner Größe herstellbar ist, wodurch die Kompaktheit der Düse erhöht wird, um die Auflösung zu verbessern. Die Form/Gedächtnislegierung ist in dem Dünnfilmzustand auf einem Substrat unter Verwendung eines Halb leiterdünnfilm-Herstellungsvorganges abgeschieden, um die Möglichkeit zu bieten, die benötigte Versetzungs größe oder -menge oder den Hub zu erhalten, wodurch die Massenherstellung verbesserbar ist.

Erfindungsgemäß wird der Dünnfilm aus der Form/Ge dächtnislegierung auf einem Substrat mittels eines Her stellungsvorganges für einen Halbleiterdünnfilm ausge bildet und das Substrat wird teilweise geätzt, um einen Raumabschnitt zu schaffen, der es dem Dünnfilm aus der Form/Gedächtnislegierung ermöglicht, zu vibrieren. Das Tröpfchen wird dann wiederum durch die Vibration des Dünnfilms der Form/Gedächtnislegierung ausgebildet.

Bei dieser Abgebevorrichtung wird die Form/Gedächt nislegierung auf dem Substrat mittels des Halbleiter dünnfilm-Herstellungsvorganges abgeschieden und die sich ergebende Struktur wird getempert, um den Dünnfilm aus der Form/Gedächtnislegierung zu bilden. Somit kann die flache Form in der austenitischen Phase erhalten werden. Weiterhin kann der abgeschiedene Dünnfilm aus der Form/Gedächtnislegierung mit einer verbleibenden Druckbelastung in der Martensit-Phase versehen werden, und die Größe hiervon kann abhängig von der Temperatur bei der Abscheidung und der Zeit geändert werden. Sobald das Substrat teilweise geätzt worden ist, um den Raumabschnitt zu bilden, wird der Dünnfilm aus der Form/Gedächtnislegierung durch eine Krümmung biegeverformt, welche aus der verbleibenden Druckbela stung resultiert. Wenn der Dünnfilm aus der Form/Ge dächtnislegierung erwärmt oder erhitzt wird, wird der Dünnfilm aus der Form/Gedächtnislegierung austenitisch, um sich in die abgeflachte Form zu ändern. Zu diesem Zeitpunkt wird das Volumen der Flüssigkeitskammer ver ringert, so daß die Schreibflüssigkeit abgegeben oder ausgestoßen wird. Während des Abkühlvorganges tritt die Biegeverformung aufgrund der verbleibenden Druckbela stung wieder auf, und zu diesem Zeitpunkt wird das er neute Auffüllen oder Nachfüllen der Schreibflüssigkeit durchgeführt. Diese Schritte werden wiederholt, um auf einanderfolgend das Abgeben oder Ausspritzen der Schreibflüssigkeit durchzuführen.

Gemäß der Erfindung wird der vereinfachte Dünnfilm aus der Form/Gedächtnislegierung über den Halbleiter dünnfilm-Herstellungsvorgang und den Substratätzvorgang ausgebildet und die verbleibende Druck- oder Kompressi onsbelastung wird verwendet, um einfach die zum Ausge ben oder Ausspritzen der Schreibflüssigkeit notwendige Versetzung oder den hierzu notwendigen Hub zu erhalten, so daß die Massenherstellung wesentlich verbessert wird. Zusätzlich kann die Größe der Restbelastung geän dert werden, um die Deformationsmenge oder den Deforma tionsbetrag einfach einzustellen, was es auch gestat tet, die Versetzungsmenge oder den Hub zu erhöhen und es möglich macht, die Abmessungen des Dünnfilmes aus der Form/Gedächtnislegierung zu verringern. Infolgedes sen kann ein Druckkopf mit kleinen Abmessungen gefer tigt werden, und die Kompaktheit der Düsen wird erhöht, so daß eine hohe Auflösung erhalten werden kann.

Weiterhin wird in der Erfindung eine Form/Gedächtnislegierung in Form eines Dünnfilmes ver wendet, so daß der Energieverlust bei dem Aufheizvor gang wesentlich verringert wird und die Abkühlzeit ver kürzt wird. Weiterhin treten keine Restvibrationen auf, wenn der Dünnfilm aus der Form/Gedächtnislegierung durch die verbleibende Druckbelastung in den biegede formierten Zustand verformt wird, nachdem die Schreib flüssigkeit abgegeben wurde, so daß es möglich ist, ei ne stabile Abgabe der Schreibflüssigkeit durchzuführen, was zur Folge hat, daß die Betriebsfrequenz erhöht wird, das heißt die Druckgeschwindigkeit verbessert wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detail lierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen hiervon unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung.

Es zeigt:

Fig. 1 eine auseinandergezogene perspektivische An sicht einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht zur Veranschau lichung des Flusses oder der Strömung einer Schreib flüssigkeit in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3A und 3B Schnittdarstellungen von vorne zur Veranschaulichung der Vorrichtung gemäß einer Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 seitliche Schnittdarstellungen der Vorrich tung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Er findung, wobei die Fig. 4A bis 4D die Zustände vor und nach dem Betrieb veranschaulichen;

Fig. 5 eine grafische Darstellung zur Erläuterung der Phasentransformation eines Dünnfilmes einer Form/Gedächtnislegierung bei der vorliegenden Erfin dung;

Fig. 6 Ansichten zur Erläuterung eines Herstel lungsvorganges des in einer Richtung wirkenden Dünnfil mes der Form/Gedächtnislegierung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7 ein Blockdiagramm zur Erläuterung des Her stellungsvorganges des in einer Richtung wirkenden Dünnfilmes aus der Form/Gedächtnislegierung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 8 Ansichten zur Erläuterung eines Herstel lungsvorganges eines in zwei Richtungen wirkenden Dünn filmes einer Form/Gedächtnislegierung gemäß der vorlie genden Erfindung;

Fig. 9 ein Blockdiagramm zur Erläuterung des Her stellungsvorganges des in zwei Richtungen wirkenden Dünnfilmes der Form/Gedächtnislegierung gemäß der vor liegenden Erfindung;

Fig. 10 eine grafische Darstellung der Aufheizzeit gegenüber der Temperatur des Dünnfilmes aus der Form/Gedächtnislegierung gemäß der vorliegenden Erfin dung;

Fig. 11 eine Schnittdarstellung zur Darstellung der Größe des Dünnfilmes aus der Form/Gedächtnislegierung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 12 Schnittdarstellungen zur Veranschaulichung der Vorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei die Fig. 12A bis 12D die Zustände vor und nach dem Betrieb veranschaulichen;
Die Abgebe- oder Ausspritzvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung (nachfolgend als "Vorrichtung" bezeichnet) ist so aufgebaut, daß eine Mehrzahl von Dü sen 19 zum Abgeben oder Ausstoßen einer Schreibflüssig keit 20 ("Tinte") sowohl reihen- als auch spaltenweise angeordnet ist, um die Auflösung zu erhöhen, wobei Dünnfilme 12 aus Form/Gedächtnislegierungen zum Abgeben oder Ausstoßen der Schreibflüssigkeit 20 jeweils den einzelnen Düsen 19 zugeordnet sind.

Genauer gesagt, eine Mehrzahl von Raumabschnitten oder Räumen 11 ist an den Vorder- und Hinterseiten ei nes Substrates 10 ausgebildet und die Räume 11 dringen in dieses nach oben und unten ein, wobei die Mehrzahl von Dünnfilmen 12 aus den Form/Gedächtnislegierungen an dem oberen Abschnitt des Substrates 10 angebracht ist, um die jeweiligen Räume 11 abzudecken. Eine Leit- bzw. Leitungsplatte 13 deckt den oberen Abschnitt des Sub strates 10 ab und weist Flüssigkeitskammern 14 zur Auf nahme der Schreibflüssigkeit 20 direkt oberhalb der entsprechenden Dünnfilme 12 aus der Form/Gedächtnis legierung auf. Weiterhin ist ein Zufuhrpfad 15 zum Füh ren der Schreibflüssigkeit 20 in der Mitte der Lei tungsplatte 13 derart ausgebildet, daß der Zufuhrpfad 15 über Fluiddurchlässe 16 mit den entsprechenden Flüs sigkeitskammern 14 jeweils in Verbindung steht. Ein Strömungseinlaß 17, der mit dem Zufuhrpfad 15 an einer Seite der Leitungsplatte 13 in Verbindung steht, ist an einer Seite des Substrates 10 ausgebildet, um die Schreibflüssigkeit 20 in Richtung des Zufuhrpfades 15 zu liefern.

Eine Düsenplatte 18 ist an dem oberen Abschnitt der Leitungsplatte 13 befestigt und weist die Mehrzahl von Düsen 19 entsprechend den jeweiligen Flüssigkeitskam mern 14 auf, die in der Leitungsplatte 13 ausgebildet sind. Die jeweiligen Düsen 19 entsprechen den Dünnfil men 12 aus der Form/Gedächtnislegierung, welche gegen über den entsprechenden Flüssigkeitskammern 14 freilie gen. Wenn somit der Druck in den entsprechenden Flüs sigkeitskammern 14 durch Deformation der Dünnfilme 12 aus den Form/Gedächtnislegierungen geändert wird, wird die Schreibflüssigkeit 20 durch die jeweiligen Düsen 19 in Tröpfchenform auf ein Druckpapier ausgestoßen oder abgegeben.

Die Phase des Dünnfilmes 12 aus der Form/Ge dächtnislegierung wird aufeinanderfolgend abhängig von einer Temperaturänderung geändert. Während des Phasen transformations- oder Phasenübergangsvorganges tritt durch eine Deformation eine Vibration auf, und die Schreibflüssigkeit 20 wird durch die jeweiligen Düsen 19 in Tröpfchenform ausgestoßen. Die Fig. 4A bis 4D sind seitliche Schnittdarstellungen, welche die Vor richtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen, wobei ein Dünnfilm 12 aus der Form/Gedächtnislegierung herausgegriffen ist. Wenn der Dünnfilm 12 aus der Form/Gedächtnislegierung im Aus gangszustand, wo er so deformiert ist, daß er sich von der Düse 19 wegbiegt, über eine bestimmte Temperatur hinaus erwärmt oder erhitzt wird, wird er flach, wäh rend er in die Ausgangsphase übergeht. Zu diesem Zeit punkt steigt der Innendruck der Flüssigkeitskammer 14 an, da diese komprimiert wird, und gleichzeitig wird die Schreibflüssigkeit 20 über die Düse 19 ausgestoßen oder abgegeben. Sobald die Temperatur des Dünnfilmes 12 aus der Form/Gedächtnislegierung unterhalb einer be stimmten Temperatur absinkt, wird er in den Biegedefor mationszustand durch eine verbleibende Druckbelastung verformt, und die Schreibflüssigkeit 20 wird in das In nere der Flüssigkeitskammer 14 durch die Kapillarkraft der Schreibflüssigkeit in der Düse 19 und die Einsaug kraft eingebracht, wenn der Innendruck der Flüssig keitskammer 14 allmählich sinkt. Sodann wird der obige Vorgang aufeinanderfolgend durchgeführt, um den Druck vorgang durchzuführen.

Der Dünnfilm 12 aus der Form/Gedächtnislegierung wird durch einen Zufuhrabschnitt 21 für elektrische Leistung erwärmt, wie in Fig. 3A gezeigt. Genauer ge sagt, sobald elektrische Leistung von dem Zufuhrab schnitt 21 an Elektroden 21a geliefert wird, die mit den beiden Enden des Dünnfilmes 12 aus der Form/Ge dächtnislegierung verbunden sind, erzeugt der Dünnfilm 12 aus der Form/Gedächtnislegierung Wärme durch seinen eigenen Widerstand oder Innenwiderstand, so daß seine Temperatur ansteigt und er flach wird, da er in die Ausgangsphase übergeht. Sobald die elektrische Leistung nicht mehr von dem Zufuhrabschnitt 21 geliefert wird, kühlt sich der Dünnfilm 12 aus der Form/Gedächtnis legierung auf natürlichem Weg ab, und kehrt aufgrund der verbleibenden Kompressionsbelastung oder Druckbela stung in den ursprünglich verformten Zustand zurück. Alternativ hierzu kann ein Heizelement 21b durch elek trische Leistung von dem Zufuhrabschnitt 21 für elek trische Leistung erwärmt oder erhitzt werden, wobei das Heizelement 21b direkt an einer Seite des Dünnfilmes 12 aus der Form/Gedächtnislegierung angebracht ist, wie in Fig. 3B gezeigt, um den Dünnfilm 12 aus der Form/Ge dächtnislegierung zu erhitzen.

Der Dünnfilm 12 ist aus einer Form/Gedächtnis legierung zusammengesetzt, welche einen Phasenübergang oder eine Phasentransformation abhängig von der Tempe ratur macht, um die Verformung oder Deformation einzu leiten, wobei die Legierung hauptsächlich aus Titan (Ti) und Nickel (Ni) besteht mit einer Dicke von unge fähr 0,3 µm-5 µm. Der Dünnfilm 12 aus der Form/Ge dächtnislegierung hat eine Richtungseigenschaft abhän gig von dem Herstellungsverfahren. Die Fig. 6 und 7 sind Ansichten bzw. ein Blockdiagramm zur Veranschauli chung eines Herstellungsverfahrens eines in einer Rich tung wirkenden Dünnfilmes 12 aus einer Form/Gedächtnis legierung gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Ansich ten der Fig. 1 bis 4 beziehen sich auf die Verwen dung eines Dünnfilmes 12 aus einer Form/Gedächtnis legierung, der in einer Richtung wirkt. Zunächst wird ein Schritt 100 durchgeführt, wobei ein Dünnfilm 12 aus einer Form/Gedächtnislegierung auf dem Substrat 10 be stehend aus einer Substanz wie Silizium abgeschieden wird. Die Abscheidung wird für gewöhnlich durch eine Sputter-Abscheidung oder durch Laserabtrageverfahren durchgeführt.

Im Schritt 101 wird die sich ergebende Struktur bei einer regulären Temperatur über eine gegebene Zeitdauer hinweg getempert, um eine Kristallisierung zu bewirken, wodurch sich die flache Plattenform der Ausgangsphase ergibt. Danach erfolgt eine Abkühlung herunter auf an nähernd 40°C-70°C, was eine Martensit-Endtemperatur Mf ist, so daß die Ausgangsphase eine martensitische Phase wird, um die verbleibende Druckbelastung in dem Dünnfilm 12 aus der Form/Gedächtnislegierung im Schritt 102 zu erhalten.

Zusätzlich wird der unmittelbar untere Abschnitt unterhalb des Dünnfilmes 12 aus der Form/Gedächtnis legierung geätzt, um den Raum 11 im Substrat 10, beste hend aus dem Siliziumwafer zu schaffen und der Dünnfilm 12 aus der Form/Gedächtnislegierung wird freigelegt. Dies erfolgt im Schritt 103. Sodann wird der Dünnfilm 12 aus der Form/Gedächtnislegierung in Richtung des un teren (oder oberen) Abschnittes durch die verbleibende Kompressions- oder Druckbelastung biegedeformiert, um den Zustand gemäß Fig. 4A zu erhalten, was im Schritt 104 erfolgt. Im Schritt 105 wird, sobald der Dünnfilm 12 aus der Form/Gedächtnislegierung in der martensiti schen Phase biegedeformiert wurde, dieser auf eine be stimmte Temperatur, das heißt, eine Austenit-Endtem peratur Af von annähernd 50°C-90°C erwärmt, und der Dünnfilm 12 aus der Form/Gedächtnislegierung wird in die austenitische Phase deformiert, um flach zu werden, wie in Fig. 4C gezeigt, wodurch dann im Betrieb die Schreibflüssigkeit 20 ausgestoßen wird. Danach wird der Dünnfilm 12 aus der Form/Gedächtnislegierung abgekühlt, um in die martensitische Phase überzugehen, wobei er wiederum durch die verbleibende Druckbelastung biegede formiert wird. Hierdurch wird das Innere der Flüssig keitskammer 14 mit Schreibflüssigkeit 20 erneut ge füllt, was im Schritt 106 erfolgt. Wenn die voranste henden Schritte 105 und 106 abhängig von einer Tempera turänderung des Dünnfilmes 12 aus der Form/Gedächtnis legierung wiederholt werden, wird im Schritt 107 der Druckvorgang durchgeführt.

Die Fig. 8 und 9 sind eine Schnittdarstellung bzw. ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung eines Her stellungsverfahrens für einen in zwei Richtungen wir kenden Dünnfilm 12 aus einer Form/Gedächtnislegierung gemäß der vorliegenden Erfindung. Hierbei wird der Dünnfilm 12 aus der Form/Gedächtnislegierung bei einer regulären Temperatur für eine bestimmte Zeitdauer ge tempert, um zu kristallisieren, was innerhalb einer Kammer 22 erfolgt, so daß eine Änderung in die austeni tische Phase erfolgt (Schritt 200). Sodann wird bei Ab kühlung herunter unter die Martensit-Endtemperatur Mf von annähernd 40°C-70°C im Schritt 201 das Austenit in Martensit umgeändert. Weiterhin wird im Schritt 202 das Martensit durch Anlegen einer externen Kraft defor miert, welche einen Betrag hat, welcher ein plastisches Gleiten verhindert. Wenn dann der Dünnfilm 12 aus der Form/Gedächtnislegierung durch die Austenit-Endtempera tur Af von annähernd 50°C-90°C erwärmt wird, ändert sich im Schritt 203 das Martensit in Austenit, so daß der Dünnfilm 12 flach wird.

Nachfolgend werden die obigen Schritte 201, 202 und 203 mehrere Male wiederholt, um den Dünnfilm 12 aus der Form/Gedächtnislegierung zu "trainieren". Hierdurch wird ungeachtet des Fehlens einer externen Kraft der Dünnfilm 12 aus der Form/Gedächtnislegierung im Schritt 205 verformt, wenn die Temperatur unterhalb der Marten sit-Endtemperatur Mf im Trainierschritt 204 fällt. Um gekehrt wird der Dünnfilm 12 aus der Form/Gedächtnis legierung flach, wenn er auf die Austenit-Endtemperatur Af erwärmt wird, wodurch im Schritt 206 die Schreib flüssigkeit 20 ausgestoßen wird. Wenn der Dünnfilm 12 aus der Form/Gedächtnislegierung auf Martensit abge kühlt wird, wird er durch seine eigene Kraft biegede formiert, um das Innere der Flüssigkeitskammer 14 er neut mit Schreibflüssigkeit 20 zu füllen (Schritt 207) Im Schritt 208 werden die obigen Schritte 206 und 207 abhängig von der Temperaturänderung des Dünnfilmes 12 aus der Form/Gedächtnislegierung wiederholt, um den Druckvorgang während des obigen Prozesses durchzufüh ren. Mit anderen Worten, der Dünnfilm 12 aus der Form/Gedächtnislegierung aktiviert den in zwei Richtun gen wirkenden Hin- und Herbewegungsvorgang abhängig von der Temperatur, um die Schreibflüssigkeit 20 auszusto ßen. Zusätzlich hierzu wird der Biegungs- oder Deforma tionsbetrag des in zwei Richtungen wirkenden Dünnfilmes 12 abhängig von dem Betrag der angelegten externen Kraft während des Herstellungsvorganges entschieden oder eingestellt, so daß es möglich wird, die geforder ten oder gewünschten Versetzungsbeträge oder Hübe leicht zu realisieren.

Der Dünnfilm 12 mit der in zwei Richtungen wirken den Eigenschaft kann bei einer Ausführungsform der vor liegenden Erfindung angewendet werden, wie in Fig. 4 gezeigt. Beispielsweise ist der Raum 11 an einer Seite des Substrates 10 ausgebildet, und der trainierte Dünn film 12 aus der Form/Gedächtnislegierung ist mit dem Substrat 10 verbunden. Hierbei kann durch Befestigung des Dünnfilmes 12 aus der Form/Gedächtnislegierung an einer Seite des Substrates 10, wodurch der Raum 11 ab gedeckt wird, die Schreibflüssigkeit 20 ausgestoßen werden, wenn sich der Dünnfilm 12 aus der Form/Gedächt nislegierung annähernd in der Mitte des Raumes 11 bei Temperaturänderungen deformiert.

Da der Dünnfilm 12 aus der Form/Gedächtnislegierung gemäß der vorliegenden Erfindung abhängig von Tempera turänderungen in der Austenit-Phase flach und in der Martensit-Phase biegedeformiert ist, wird die Frequenz (das heißt die Betriebs- oder Arbeitsfrequenz) des Dünnfilmes 12 aus der Form/Gedächtnislegierung erhöht, wenn die Temperaturdifferenz kleiner wird. Aus diesem Grund kann Kupfer (Cu) in die Legierung aus Ti und Ni eingebracht werden, um die Temperaturdifferenz zu ver ringern, bei der der Phasenübergang oder die Phasen transformation stattfindet. Die Form/Gedächtnislegierung, welche Ti, Ni und Cu verwen det, verringert die Phasentransformationstemperatur-Va riation, um die Frequenz, das heißt die Betriebsfre quenz des Dünnfilmes 12 aus der Form/Gedächtnis legierung zu erhöhen, wodurch die Druckgeschwindigkeit erhöht werden kann.

Die Möglichkeit der Ausbildung von Tröpfchen mit dem Dünnfilm 12 gemäß der vorliegenden Erfindung und obigem Aufbau wird nachfolgend erläutert.

Es sei angenommen, daß der Tröpfchendurchmesser 60 µm ist und die Tröpfchen für den Fall erzeugt werden, daß eine Energiedichte W_max, die durch den Dünnfilm 12 aus der Form/Gedächtnislegierung erzeugt wird 10x10⁶J/m³ maximal beträgt und das Volumen V des Dünn filmes 12 aus der Form/Gedächtnislegierung 200×200×1 µm³ beträgt, wobei dann die Ausstoßfähigkeit des Dünnfilmes 12 wie folgt festgehalten werden kann:

U = U_s + U_K
U_s = πR^2γ
U_K = 1/12πρR³v²

wobei das Symbol U die Energie bezeichnet, die zur Erzeugung des gewünschten Tröpfchens der Schreibflüs sigkeit 20 notwendig ist, U_S eine Oberflächenenergie oder Oberflächenspannung der Schreibflüssigkeit 20 be zeichnet, U_K die kinetische Energie der Schreibflüssig keit 20 bezeichnet, R der Durchmesser des Tröpfchens ist, v die Geschwindigkeit der Schreibflüssigkeit 20 ist, ρ die Dichte der Schreibflüssigkeit 20 ist (1000 kg/m³) und γ die Oberflächenspannung (0,073 N/m) der Schreibflüssigkeit 20 ist. Wird hier angenommen, daß die Geschwindigkeit des gewünschten Tröpfchens 10 m/sec ist, läßt sich die benötigte Energie U schreiben als:

U = 2,06×10^-10 + 7,07×10^-10 = 9,13×10^-10 J.

Weiterhin ist die von dem Dünnfilm 12 aus der Form/Gedächtnislegierung maximal erzeugte Energie defi niert durch W_max = W_V.V (wobei W_V die Energie J/m³ bezeichnet, welche pro Volumeneinheit des Dünnfilmes 12 aus der Form/Gedächtnislegierung ausübbar ist und V das Volumen des Dünnfilmes 12 aus der Form/Gedächtnislegierung be zeichnet). Hierdurch wird

W_max = (10×10⁶).(200×200×1) = 4×10^-7 J.

Wenn der Durchmesser des Tröpfchens 100 µm beträgt, beträgt die notwendige Energie U 3,85×10^-9 J.

Da somit W_max mehrfach größer als U ist, kann ein Tröpfchen mit den gewünschten Abmessungen erhalten wer den. Mit anderen Worten, da der Dünnfilm 12 aus der Form/Gedächtnislegierung eine erhebliche Stellkraft entwickelt, kann das gewünschte Tröpfchen der Schreib flüssigkeit 20 ohne weiteres erhalten werden. Weiterhin kann die Versetzungsgröße oder der Hub entstehend aus Aufheizzeit, abgegebener Leistung und verbleibender Druckkraft bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wie folgt analysiert werden: Die elektrische Energie wird dem Dünnfilm 12 aus der Form/Gedächtnislegierung zugeführt, um durch Innenwi derstand Wärme zu erzeugen, und die Phase wird durch die erzeugte Wärme geändert, wobei zu beachten ist, daß die Erwärmungs- oder Aufheizzeit und die eingeleitete Energie, bis der Dünnfilm 12 aus der Form/Gedächtnislegierung mit einer Temperatur von 25°C auf Austenit mit 70°C erwärmt wurde, wie folgt erhalten werden:
Die Substanz des Dünnfilmes 12 aus der Form/Gedächtnislegierung ist hierbei TiNi, eine Länge l des Dünnfilms 12 aus der Form/Gedächtnislegierung be trägt 400 µm, eine Dichte ρ_s des Dünnfilms 12 aus der Form/Gedächtnislegierung beträgt 6450 kg/m³, und der Be trag der Temperaturschwankung ΔT ist 45°C entsprechend 70 minus 25. Weiterhin beträgt eine spezifische Wärme C_ρ 230 J/Kg°C, ein spezifischer Widerstand ρ des Dünn films 12 aus der Form/Gedächtnislegierung ist 80 µ.cm, der angelegte Strom I ist 1,0 A, eine Breite w des Dünn films aus der Form/Gedächtnislegierung beträgt 300 µm, und eine Höhe oder Dicke t des Dünnfilms 12 aus der Form/Gedächtnislegierung ist 1,0 µm. Somit wird die Auf heizzeit t_h erhalten als

Da der Widerstand R des Dünnfilms 12 aus der Form/Gedächtnislegierung, das heißt ρ(l/w.t) gleich 1,1 Ω ist und die aufgebrachte elektrische Leistung I²R 1,1 Watt beträgt, ist die zur Erzeugung des Tröpfchens benötigte Energie erhaltbar durch:
Aufheizzeit multipliziert mit aufgewendeter elek trischer Leistung = 8,1 µJ.

Die zur Erzeugung des Tröpfchens notwendige Energie zum Abgeben der Schreibflüssigkeit 20 beträgt daher grob 8,1 µJ, was weniger ist als der bisherige Energie aufwand von 20 µJ, der bei einem Tintenstrahlsystem des thermischen Typs notwendig war.

Fig. 10 ist eine grafische Darstellung und zeigt den Verlauf der Aufheizzeit oder Erwärmungszeit gegen über der Temperatur bei dem Dünnfilm 12 aus der Form/Gedächtnislegierung gemäß der vorliegenden Erfin dung, wobei die Materialwerte zur Durchführung des Ex perimentes wie folgt sind:
Die Dicke des Dünnfilms 12 aus der Form/Gedächtnis legierung beträgt 1 µm und die Umgebungstemperatur 25°C.

In dem Zustand, wo die Umgebungstemperatur 25°C be trägt, ist die Zeit, die zum Erwärmen des Dünnfilmes 12 aus der Form/Gedächtnislegierung auf 70°C notwendig ist, um den Übergang in die austenitische Phase zu er zielen und zum Abkühlen auf 30°C ungefähr 200 µsec, was annähernd 5 kHz entspricht, wenn auf Frequenz umgerech net werden soll. Infolgedessen beträgt die Arbeitsfre quenz des Druckkopfes etwa 5 kHz. Da jedoch die Tempera tur zur vollständigen Beendigung der Deformation (die Martensit-Endtemperatur) ungefähr 45°C beträgt, besteht keine Notwendigkeit, auf eine Abkühlung herunter bis auf 30°C zu warten, sondern es kann vorher schon wieder erwärmt werden, um fortlaufend die Schreibflüssigkeit 20 abzugeben. Aufgrund dieser Tatsache kann die Be triebsfrequenz auf über 5 kHz angehoben werden. Sobald einmal die Betriebsfrequenz hoch ist, steigt die Druck geschwindigkeit entsprechend.

Auch kann der Versetzungsbetrag oder der Hub abhän gig von der verbleibenden Druckbelastung in dem Dünn film 12 aus der Form/Gedächtnislegierung wie folgt ana lysiert werden (Fig. 11):
Es sei angenommen, daß a = b und a = 200 µm, wobei die Substanz des Dünnfilms 12 aus der Form/Gedächtnis legierung TiNi ist, der Elastizitätsmodul E_m des Dünn films 12 aus der Form/Gedächtnislegierung 30 GPa be trägt, die verbleibende Druckbelastung S, welche auf den Dünnfilm 12 aus der Form/Gedächtnislegierung ein wirkt 30 MPa beträgt; der Poisson'sche Beiwert V 0,3 be trägt, die Länge des Dünnfilms 12 aus der Form/Gedächt nislegierung, welche in dem Raum 11 freiliegt, sei mit a bezeichnet, die Dicke des Dünnfilms 12 aus der Form/Gedächtnislegierung sei mit h_m bezeichnet, und die Breite des Dünnfilms 12 aus der Form/Gedächtnis legierung, welche in dem Raum 11 freiliegt, sei durch b bezeichnet, wobei dann eine kritische Belastung S_cr des Dünnfilms 12 aus der Form/Gedächtnislegierung geschrie ben werden kann als:

und so die mittige Versetzung oder der mittige Hub δ_m des Dünnfilms 12 aus der Form/Gedächtnislegierung so definiert ist, daß:

Die Gesamtenergie U_m, welche erzeugt wird, wenn der Dünnfilm 12 aus der Form/Gedächtnislegierung verformt wird, wird geschrieben als:

Die Gesamtenergie, die erzeugt wird, wenn der Dünn film 12 aus der Form/Gedächtnislegierung verformt wird, nachdem die Schreibflüssigkeit 20 abgegeben wurde, än dert sich in die Verformungs- oder Verwerfungskraft P, welche die Biegedeformation des Dünnfilms 12 aus der Form/Gedächtnislegierung auslöst. Die Verformungskraft P wird wie folgt geschrieben:

Um = P.ΔV.

Da ΔV (Volumenveränderung) = (δ_s.a²)/4 = 6,2×10^-14 m³ beträgt, ist die Verformungskraft P 4,5 KPa.

Wird angenommen, daß die Hälfte der Gesamtvolu menänderung, welche durch die Biegeverformung des Dünn films 12 aus der Form/Gedächtnislegierung bewirkt wird, bei dem Abgebevorgang zum Tragen kommt, wird ein Tröpf chen mit 39 µm gebildet.

Der Versetzungsbetrag oder Hub bezüglich der Dicke und Abmessung des Dünnfilmes 12 aus der Form/Gedächt nislegierung wird in der nachfolgenden Tabelle darge stellt, wobei die entsprechende Einheit µm ist.

Fig. 12 zeigt Schnittdarstellungen, welche die Vor richtung gemäß einer anderen Ausführungsform der vor liegenden Erfindung zeigen, wobei gleiche Teile wie in Fig. 1 mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind.

Die weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfin dung ist mit der Leitplatte 13 und der Düsenplatte 18 am unteren Abschnitt des Substrates 10 versehen, welche in Fig. 12 unter Bezugnahme auf irgendeinen der hiermit verbundenen Dünnfilme 12 aus der Form/Gedächtnislegierung dargestellt sind.

Der Raum 11 ist in dem Substrat 10 ausgebildet und durchtritt dieses nach oben und unten, und der Dünnfilm 12 aus der Form/Gedächtnislegierung ist am oberen Ab schnitt des Substrates 10 angeordnet, um den Raum 11 abzudecken. Die Leitplatte 13 deckt den unteren Ab schnitt des Substrates 10 ab, wobei die Flüssigkeits kammer 14 zur Aufnahme der Schreibflüssigkeit 20 ent sprechend dem Raum 11 gebildet ist.

Weiterhin ist die Düsenplatte 18 am unteren Ab schnitt der Leitplatte 13 angeordnet, welche die Düse 19 entsprechend der Flüssigkeitskammer 14 in der Leit platte 13 aufweist. Die Düse 19 entspricht in ihrer La ge dem Dünnfilm 12 aus der Form/Gedächtnislegierung, der in Richtung der Flüssigkeitskammer 14 frei vor liegt. Da sich somit der Druck in der Flüssigkeitskam mer 14 ändert, wenn der Dünnfilm 12 aus der Form/Gedächtnislegierung deformiert wird, wird die Schreibflüssigkeit 20 in Form eines Tröpfchens über die Düse 19 auf beispielsweise ein Blatt Papier gespritzt.

Die andere Ausführungsform der vorliegenden Erfin dung mit obigem Aufbau hat eine Struktur identisch zu derjenigen des Dünnfilms 12 aus der Form/Gedächtnis legierung der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Hierbei hat der Dünnfilm 12 aus der Form/Ge dächtnislegierung Einweg- und Zweiwegeigenschaften ab hängig von dem Herstellungsvorgang, wobei eine Phasen transformation erfolgt, um eine Deformation zu erzeu gen, was wiederum abhängig von Temperaturschwankungen erfolgt. Während dieses Vorganges wird die sich in der Flüssigkeitskammer 14 und dem Raum 11 befindliche Schreibflüssigkeit 20 in Form eines Tröpfchens über die Düse 19 auf das Blatt Papier gespritzt. In der anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Schreibflüssigkeit 20 innerhalb des Raumes 11, der in dem Substrat 10 ausgebildet ist, gehalten. Hierbei kön nen die Flüssigkeitskammern 14 und Fluiddurchlässe 16 leicht in dem Substrat 10 ausgebildet werden.

Claims

1. Vorrichtung zum Abgeben einer Schreibflüssigkeit (20) von einem Druckkopf mit

- einer Leitungsplatte (13) mit einer Mehrzahl von Flüs sigkeitskammern (14) zur Aufnahme der Schreibflüssigkeit (20), wobei die Flüssigkeitskammern (14) mit einem Zufuhr pfad (15) zum Zuführen der Schreibflüssigkeit (20) und mit jeweils einer Düse (19) zum Ausstoßen der Schreibflüssig keit (20) verbunden sind,
- einem jeweils einer Flüssigkeitskammer (14) zugeordne ten Antriebselement zum Ausstoßen der Schreibflüssigkeit (20) in Form von Tröpfchen, welches Antriebselement die Flüssigkeitskammer (14) auf ihrer einen Seite abschließt und aus einer Formgedächtnis-Legierung besteht, die in Ab hängigkeit von einer Temperaturänderung eine Phasentrans formation erfährt,
- einer Energieversorgungseinreichtung (21) zur Versor gung der Antriebselemente mit elektrischer Energie zur Er wärmung für die Phasentransformation, dadurch gekennzeichnet,
- daß die Antriebselemente auf einem mit der Leitungs platte (13) verbundenen Substrat (10) als Dünnfilm (12) mit Titan (Ti) und Nickel (Ni) als Hauptbestandteile in einer Dicke von 0,3 µm bis 5 µm abgeschieden sind, wobei der Dünnfilm (12) durch Erwärmen über die Austenit-Umwandlungs endtemperatur vollständig in die Austenitphase und durch Abkühlen unter die Martensit-Umwandlungsendtemperatur voll ständig in die Martensitphase umwandelbar ist, wobei der Dünnfilm (12) eine verbleibende Druckbelastung aufweist und in nach dem Aufbringen auf das Substrat (10) von diesem freigelegten Abschnitten, die durch Ätzen von den Flüssig keitskammern (14) der Leitungsplatte (13) zugeordneten Kam mern (11) in das Substrat (10) erzeugt sind, in seinem inak tiven Zustand in der Martenitphase eine in die Kammern (11) hineinwölbende Biegedeformation aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Formgedächtnis-Legierung außerdem Kupfer (Cu) ent hält, um die Betriebsfrequenz durch Verringern der auslö senden Temperatur zu erhöhen.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieversorgungseinrich tung (21) Elektroden (21a) umfaßt, die mit beiden Enden des Dünnfilms (12) verbunden sind, damit dieser durch seinen Eigenwiderstand erwärmt wird.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieversorgungseinrich tung (21) ein Heizelement (21b) aufweist, das an dem Dünn film (12) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (10) aus einer Si liziumsubstanz besteht.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Kammern (11) frei liegenden Abschnitte des Dünnfilms (12), die die Phasen transformation im wesentlichen durchführen, eine Breite von 100 µm bis 300 µm und eine Länge von 100 µm bis 500 µm ha ben.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Austenit-Umwandlungsend temperatur annähernd 50°C bis 90°C und die Martensit-Um wandlungsendtemperatur annähernd 40°C bis 70°C beträgt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeit zum Abkühlen des Dünn films (12) auf die Martensit-Umwandlungstemperatur nach dem Erwärmen des Austenits kürzer ist als 200 µsec und die Be triebsfrequenz nicht kleiner ist als 5 kHz.

9. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zum Abge ben einer Schreibflüssigkeit von einem Druckkopf, nach ei nem der Ansprüche 1 bis 8, mit den folgenden Schritten:

- Abscheiden eines Dünnfilmes in einer Dicke von 0,3 µm bis 5 µm aus einer Formgedächtnis-Legierung mit Titan (Ti) und Nickel (Ni) als Hauptbestandteilen auf einem Substrat,
- Durchführen einer Temperbehandlung an dem Dünnfilm, um eine Kristallbildung zu bewirken, bis eine ebene Schicht entstanden ist, die die ebene Gestalt als Austenitphase ge speichert hat,
- Abkühlen des Dünnfilms bis zum Übergang in die voll ständige Martensitphase unter Entstehung einer verbleiben den Druckbelastung;
- Ätzen des Substrats zum Freilegen eines Abschnitts je des Dünnfilms, wobei dessen freigelegter Abschnitt in der Martensitphase eine Biegedeformation erfährt und bei Erwär men über die Austenit-Umwandlungsendtemperatur und Übergang in die vollständige Austenitphase eine gestreckte Lage mit der ebenen Gestalt einnimmt,
- Trainieren des Formverhaltens durch wiederholtes Wech seln zwischen der biegedeformierten Gestalt in der Marten sitphase und der ebenen Gestalt in der Austenitphase durch Abkühlen und Erwärmen des Dünnfilms.