DE19751790C2 - Device for dispensing writing fluid from a printhead and method of making the same - Google Patents
Device for dispensing writing fluid from a printhead and method of making the sameInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abgeben einer Schreibflüssigkeit von einem Druckkopf und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.The invention relates to a device for dispensing a writing fluid from a printhead and a Process for their production.
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.Common print heads use for ge usually a so-called drop-on-demand system (DOD). The DOD system is increasingly used because of the pressure process simply by immediate delivery or junk zen of droplets of writing fluid under Atmo spherical pressure can be performed, which is neither a Charging or redirecting the droplets of the writing stream high pressure is still required.
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.Printheads are known, which one Form / memory alloy for dispensing the writing fluid use. With such a printhead (Japanese published patent application JP 63-57251 A) is that close the liquid / ink chamber with the nozzle Eating drive element from a shape memory alloy membrane on a flexible, heatable support plate arranged by the power supply according to the pattern or book to be printed is controlled. The membrane must be in two Deform or stretch directions and omnidirectional shrink. Because of their training, the chamber not very small. The ink becomes roughly parallel ejected to the thin film from the liquid chamber eat.
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.With a similar drive element of a pressure Kopfs (Japanese Patent Application Laid-Open JP 6-91 865 A) is a vibration membrane from a shape / Ge Memory alloy layer on a shape determined laminated carrier body. The membrane is by heating up to the transformation temperature due to the control with the energy supply deformed direction and thereby to the writing liquid gift bent. The writing flow also takes place here liquid discharge approximately parallel to the membrane and has the Liquid chamber a minimum size. The emission-free quenz is therefore limited.
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.As a result, it is the job of those in the patent Sayings marked invention, a device for dispensing writing fluid from a print to further develop the head in such a way that while receiving a com compact design and low energy consumption frequency of the print head can be increased further, so like a method of making such a pre to indicate direction.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 1 bzw. durch ein Ver fahren mit den Merkmalen nach Anspruch 9.This task is solved by a device with the features of claim 1 or by a Ver drive with the features of claim 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.According to the invention it is provided that the write liquid is dispensed or sprayed out by the Pressure of a liquid chamber due to deformation is changed, which during the phase transformation mation process of a thin film of a shape / memory nis alloy are caused, so that the shape / Ge memory alloy an operating force in considerable Height to reduce clogging of a nozzle or exclude, and being the thin film one such high deformability or quantity has that the Thin film from the form / memory alloy in small Size is producible, which makes the nozzle compact is increased to improve the resolution. The Shape / memory alloy is in the thin film state a substrate using a half conductor thin film manufacturing process deposited to the opportunity to offer the required transfer size or quantity, or to obtain the stroke, thereby Mass production can be improved.
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.According to the thin film from the form / Ge memory alloy on a substrate by means of a Her Positioning process for a semiconductor thin film out forms and the substrate is partially etched to a To create a section of space that is the thin film from the Shape / memory alloy allows to vibrate. The The droplet is then again vibrated by the Thin film of shape / memory alloy trained.
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.With this dispenser the shape / memory is remembered alloy on the substrate by means of the semiconductor deposited thin film manufacturing process and the resulting structure is annealed to the thin film to form from the shape / memory alloy. So can maintain the flat shape in the austenitic phase become. Furthermore, the deposited thin film can the shape / memory alloy with a remaining one Pressure load in the martensite phase, and the size of it may depend on the Deposition temperature and time changed become. Once the substrate has been partially etched is to form the space section, the thin film from the shape / memory alloy through a curvature bent deformed, which from the remaining Drucka result. If the thin film from the form / Ge memory alloy is heated or heated, the Thin film from the form / memory alloy austenitic, to change to the flattened shape. To this At the time the volume of the liquid chamber is ver wrestles so that the writing fluid is released or is expelled. The occurs during the cooling process Bending deformation due to the remaining pressure load again, and at that point he will refill or refill the writing fluid carried out. These steps are repeated in order to sequentially dispensing or squirting the Perform writing fluids.
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. According to the invention, the simplified thin film from the shape / memory alloy over the semiconductor thin film manufacturing process and the substrate etching process trained and the remaining pressure or compression onsburden is used to simply necessary or spraying the writing fluid To get a transfer or the necessary stroke so that mass production improved significantly becomes. In addition, the size of the residual load can be changed the amount of deformation or the deforma amount simply set, which also allowed to increase the amount of displacement or the stroke and it makes it possible to measure the dimensions of the thin film to reduce the shape / memory alloy. As a result A print head with small dimensions can be used and the compactness of the nozzles is increased, so that high resolution can be obtained.
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.Furthermore, in the invention Shape / memory alloy in the form of a thin film ver turns so that the energy loss in the heating up gear is significantly reduced and the cooling time ver is shortened. Furthermore, there are no residual vibrations, if the thin film from the shape / memory alloy due to the remaining pressure load in the bending formed state is deformed after the writing liquid has been dispensed so that it is possible to egg perform a stable dispensing of the writing fluid, which has the consequence that the operating frequency increases is, that is, the printing speed is improved becomes.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.Advantageous embodiments of the invention are shown in the respective subclaims.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detail lierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen hiervon unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung.Further details and advantages of the present Invention result from the following detail lated description of preferred embodiments of these with reference to the accompanying drawing.
Es zeigt:It shows:
Fig. 1 eine auseinandergezogene perspektivische An sicht einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; Fig. 1 is an exploded perspective view of a device according to an embodiment of the present invention;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht zur Veranschau lichung des Flusses oder der Strömung einer Schreib flüssigkeit in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; Figure 2 is a perspective view illustrating the flow or flow of a writing fluid in one embodiment of the present invention.
Fig. 3A und 3B Schnittdarstellungen von vorne zur Veranschaulichung der Vorrichtung gemäß einer Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung; . 3A and 3B are sectional views from the front illustrating the device according to of one embodiment of the present invention;
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. 4 is side sectional representations of the Vorrich processing according to an embodiment of the present invention, with FIG 4A to 4D, the states before and illustrate after operation.
Fig. 5 eine grafische Darstellung zur Erläuterung der Phasentransformation eines Dünnfilmes einer Form/Gedächtnislegierung bei der vorliegenden Erfin dung; Fig. 5 is a graph showing the phase transformation of a thin film of a shape / memory alloy in the present inven tion;
Fig. 6 Ansichten zur Erläuterung eines Herstel lungsvorganges des in einer Richtung wirkenden Dünnfil mes der Form/Gedächtnislegierung gemäß der vorliegenden Erfindung; Fig. 6 views for explaining a manufacturing process of the unidirectional thin film of the shape / memory alloy according to the present invention;
Fig. 7 ein Blockdiagramm zur Erläuterung des Her stellungsvorganges des in einer Richtung wirkenden Dünnfilmes aus der Form/Gedächtnislegierung gemäß der vorliegenden Erfindung; Fig. 7 is a block diagram for explaining the manufacturing process of the unidirectional shape / memory alloy thin film according to the present invention;
Fig. 8 Ansichten zur Erläuterung eines Herstel lungsvorganges eines in zwei Richtungen wirkenden Dünn filmes einer Form/Gedächtnislegierung gemäß der vorlie genden Erfindung; Fig. 8 views for explaining a manufacturing process of a bidirectional thin film of a shape / memory alloy according to the vorlie invention;
Fig. 9 ein Blockdiagramm zur Erläuterung des Her stellungsvorganges des in zwei Richtungen wirkenden Dünnfilmes der Form/Gedächtnislegierung gemäß der vor liegenden Erfindung; Fig. 9 is a block diagram for explaining the manufacturing process of the bidirectional thin film of the shape / memory alloy according to the present invention;
Fig. 10 eine grafische Darstellung der Aufheizzeit gegenüber der Temperatur des Dünnfilmes aus der Form/Gedächtnislegierung gemäß der vorliegenden Erfin dung; Fig. 10 is a graphical representation of the heating time versus temperature of the thin film of the shape / memory alloy according to the present inven tion;
Fig. 11 eine Schnittdarstellung zur Darstellung der Größe des Dünnfilmes aus der Form/Gedächtnislegierung gemäß der vorliegenden Erfindung; Fig. 11 is a sectional view showing the size of the shape / memory alloy thin film according to the present invention;
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. FIG. 12 shows sectional views for illustrating the device according to another embodiment of the present invention, FIGS. 12A to 12D illustrating the states before and after operation;
The dispensing or ejecting device according to the present invention (hereinafter referred to as "device") is constructed such that a plurality of nozzles 19 for dispensing or ejecting a writing liquid 20 ("ink") are arranged in rows as well as columns, in order to increase the resolution, thin films 12 made of shape / memory alloys for dispensing or ejecting the writing liquid 20 being assigned to the individual nozzles 19 .
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.More specifically, a plurality of space portions or spaces 11 are formed on the front and rear sides of a substrate 10 and the spaces 11 penetrate up and down therein, the plurality of thin films 12 of the shape / memory alloys on the upper portion of the substrate 10 is attached to cover the respective rooms 11 . A baffle plate 13 covers the upper portion of the sub strate 10 and has liquid chambers 14 for receiving the writing liquid 20 directly above the corresponding thin films 12 from the shape / memory alloy. Furthermore, a supply path 15 for Füh ren the writing liquid 20 in the middle of the Lei processing plate 13 is formed such that the supply path 15 via fluid passages 16 with the corresponding liquid fluid chambers 14 is in communication. A flow inlet 17 communicating with the supply path 15 on one side of the lead plate 13 is formed on one side of the substrate 10 to supply the writing liquid 20 toward the supply path 15 .
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.A nozzle plate 18 is fixed to the upper portion of the line plate 13 and has the plurality of nozzles 19 corresponding to the respective liquid chambers 14 formed in the line plate 13 . The respective nozzles 19 correspond to the thin films 12 made of the shape / memory alloy, which are exposed to the corresponding liquid chambers 14. Thus, if the pressure in the corresponding liquid chambers 14 is changed by deformation of the thin films 12 from the shape / memory alloys, the Writing fluid 20 is ejected or dispensed in droplet form onto printing paper through the respective nozzles 19 .
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.The phase of the thin film 12 made of the shape / memory alloy is successively changed depending on a temperature change. During the phase transformation or phase transition process, vibration occurs due to deformation, and the writing liquid 20 is ejected in droplet form through the respective nozzles 19 . FIGS. 4A to 4D are side sectional views which show the advantages according to the direction of an embodiment of the present invention, wherein a thin film 12 is extracted from the form / memory alloy. When the thin film 12 of the shape / memory alloy in the initial state, where it is deformed so that it bends away from the nozzle 19 , is heated or heated above a certain temperature, it becomes flat as it passes into the initial phase. At this time, the internal pressure of the liquid chamber 14 rises as it is compressed, and at the same time, the writing liquid 20 is discharged or discharged through the nozzle 19 . As soon as the temperature of the thin film 12 of the shape / memory alloy drops below a certain temperature, it is deformed into the bending deformation state by a remaining pressure load, and the writing liquid 20 is in the interior of the liquid chamber 14 by the capillary force of the writing liquid in the nozzle 19 and the suction force introduced when the internal pressure of the liquid speed chamber 14 gradually drops. Then, the above process is carried out sequentially to perform the printing process.
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. The shape / memory alloy thin film 12 is heated by an electric power supply section 21 as shown in Fig. 3A. Specifically ge says, when electric power from the Zufuhrab cut to electrodes 21 is supplied 21a, the / Ge memory alloy with the two ends of the thin film 12 from the mold are connected, the thin film 12 generates from the mold / memory alloy heat by its own resistance or internal resistance so that its temperature rises and it becomes flat as it goes into the initial phase. Once the electrical power is no longer supplied from the supply section 21 , the thin film 12 of the shape / memory alloy cools naturally and returns to the originally deformed state due to the remaining compression load or pressure load. Alternatively, a heating element 21 b by elec tric power from the feed section 21 for electric tric power warmed or heated, wherein the heating element 21b directly to a side of the thin film 12 memory alloy is attached from the mold / as shown in Fig. 3B to heat the thin film 12 of the shape / memory alloy.
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.The thin film 12 is composed of a shape / memory alloy which makes a phase transition or a phase transformation depending on the temperature to initiate the deformation or deformation, the alloy consisting mainly of titanium (Ti) and nickel (Ni) with a Thickness of about 0.3 µm-5 µm. The thin film 12 made of the shape / Ge memory alloy has a directional property depending on the manufacturing process. FIGS. 6 and 7 are views respectively a block diagram Veranschauli monitoring a manufacturing method of a Rich tung acting thin film 12 made of a shape / memory alloy according to the present invention. The Ansich th of Fig. 1 to 4 refer to the 12 USAGE dung a thin film of a mold / memory alloy, which acts in one direction. First, a step 100 is performed, wherein a thin film 12 made of a shape / memory alloy is deposited on the substrate 10 from a substance such as silicon. The deposition is usually carried out by sputtering or by laser ablation processes.
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.In step 101 , the resulting structure is annealed at a regular temperature for a given period of time to cause crystallization, resulting in the flat plate shape of the initial phase. This is then cooled down to approximately 40 ° C-70 ° C, which is a final martensite temperature Mf, so that the initial phase becomes a martensitic phase in order to increase the remaining pressure load in the thin film 12 of the shape / memory alloy in step 102 receive.
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.In addition, the immediately lower portion is etched below the thin film 12 from the mold / memory alloy, is exposed to the space 11 in the substrate 10, starting to provide best of the silicon wafer and the thin film 12 / memory alloy from the mold. This is done in step 103 . Then, the thin film 12 of the shape / memory alloy is bend-deformed toward the lower (or upper) portion by the remaining compression or pressure load to obtain the state shown in FIG. 4A, which is done in step 104 . In step 105 , once the thin film 12 of the shape / memory alloy has been bend-deformed in the martensitic phase, it is heated to a certain temperature, that is, an austenite end temperature Af of approximately 50 ° C.-90 ° C., and the thin film 12 of the shape / memory alloy is deformed into the austenitic phase to become flat as shown in FIG. 4C, whereby the writing liquid 20 is ejected in operation. Thereafter, the thin film 12 made of the shape / memory alloy is cooled in order to transition into the martensitic phase, whereby it is in turn bent by the remaining pressure load. As a result, the inside of the liquid speed chamber 14 is filled again with writing liquid 20 , which is done in step 106 . If the foregoing steps 105 and 106 are repeated depending on a temperature change of the thin film 12 from the shape / memory alloy, the printing operation is performed in step 107 .
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. FIGS. 8 and 9 are a sectional view and a block diagram illustrating a method for a Her position in two directions, we kenden thin film 12 made of a shape / memory alloy according to the present invention. Here, the thin film 12 of the shape / memory alloy is tempered at a regular temperature for a certain period of time to crystallize what is happening inside a chamber 22 , so that a change in the austenitic phase occurs (step 200 ). Then, when cooling down from below the martensite end temperature Mf of approximately 40 ° C-70 ° C in step 201, the austenite is changed to martensite. Furthermore, in step 202, the martensite is deformed by applying an external force which has an amount which prevents plastic sliding. Then, when the thin film 12 of the shape / memory alloy is heated by the austenite final temperature Af of approximately 50 ° C.-90 ° C., the martensite changes to austenite in step 203 , so that the thin film 12 becomes flat.
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.Subsequently, the above steps 201 , 202 and 203 are repeated a number of times to "train" the thin film 12 made of the shape / memory alloy. As a result, regardless of the absence of an external force, the thin film 12 made of the shape / memory alloy is deformed in step 205 when the temperature falls below the final Marten sit temperature Mf in training step 204 . Conversely, the thin film 12 of the shape / memory alloy becomes flat when it is heated to the austenite final temperature Af, whereby in step 206 the writing liquid 20 is expelled. If the thin film is cooled 12 abge from the mold / memory alloy to martensite, it is biegede formed by its own force to the interior of the liquid chamber 14, he neut with writing fluid 20 to fill (Step 207) At step 208, the above steps 206 and 207 is repeated depending on the temperature change of the thin film 12 made of the shape / memory alloy to perform the printing process during the above process. In other words, the thin film 12 made of the shape / memory alloy activates the reciprocating action depending on the temperature to eject the writing fluid 20 . In addition to this, the amount of bending or deformation of the bidirectional thin film 12 is decided or adjusted depending on the amount of external force applied during the manufacturing process, so that it becomes possible to easily realize the required or desired displacement amounts or strokes.
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.The thin film 12 having the bi-directional property can be applied to an embodiment of the present invention as shown in FIG. 4. For example, the space 11 is formed on one side of the substrate 10 , and the trained thin film 12 made of the shape / memory alloy is connected to the substrate 10 . Here, by attaching the thin film 12 of the shape / memory alloy to one side of the substrate 10 , thereby covering the space 11 , the writing liquid 20 can be expelled when the thin film 12 of the shape / memory alloy is approximately in the center of the space 11 deformed when the temperature changes.
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. Since the thin film 12 of the shape / memory alloy according to the present invention is flat depending on temperature changes in the austenite phase and bend-deformed in the martensite phase, the frequency (that is, the operating or working frequency) of the thin film 12 is out of shape / Memory alloy increases when the temperature difference becomes smaller. For this reason, copper (Cu) can be incorporated in the alloy of Ti and Ni in order to reduce the temperature difference at which the phase transition or phase transformation takes place. The shape / memory alloy using Ti, Ni and Cu reduces the phase transformation temperature variation to increase the frequency, that is, the operating frequency of the thin film 12 of the shape / memory alloy, which can increase the printing speed.
Die Möglichkeit der Ausbildung von Tröpfchen mit dem Dünnfilm 12 gemäß der vorliegenden Erfindung und obigem Aufbau wird nachfolgend erläutert.The possibility of forming droplets with the thin film 12 according to the present invention and the above structure will be explained below.
Es sei angenommen, daß der Tröpfchendurchmesser 60 µm
ist und die Tröpfchen für den Fall erzeugt werden,
daß eine Energiedichte Wmax, 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:
It is assumed that the droplet diameter is 60 μm and the droplets are generated in the event that an energy density W max , which is produced by the thin film 12 from the shape / memory alloy, is 10 × 10 6 J / m 3 and the volume V des Thin film 12 made of the shape / memory alloy is 200 × 200 × 1 μm 3 , in which case the ejection capacity of the thin film 12 can be determined as follows:
U = Us + UK
Us = πR2γ
UK = 1/12πρR3v2
U = U s + U K
U s = πR 2γ
U K = 1 / 12πρR 3 v 2
wobei das Symbol U die Energie bezeichnet, die zur
Erzeugung des gewünschten Tröpfchens der Schreibflüs
sigkeit 20 notwendig ist, US eine Oberflächenenergie
oder Oberflächenspannung der Schreibflüssigkeit 20 be
zeichnet, UK 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:
where the symbol U denotes the energy required to generate the desired droplet of the writing liquid 20 , U S denotes a surface energy or surface tension of the writing liquid 20 , U K denotes the kinetic energy of the writing liquid 20 , R is the diameter of the droplet , v is the speed of the writing liquid 20 , ρ is the density of the writing liquid 20 (1000 kg / m 3 ) and γ is the surface tension (0.073 N / m) of the writing liquid 20 . If it is assumed here that the speed of the desired droplet is 10 m / sec, the required energy U can be written as:
U = 2,06×10-10 + 7,07×10-10 = 9,13×10-10 J.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
Wmax = WV.V (wobei WV 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
Furthermore, the maximum energy generated by the thin film 12 from the shape / memory alloy is defined by W max = W V .V (where W V denotes the energy J / m 3 which can be exercised per unit volume of the thin film 12 from the shape / memory alloy and V denotes the volume of the thin film 12 made of the shape / memory alloy). This will
Wmax = (10×106).(200×200×1) = 4×10-7 J.W max = (10 × 10 6 ). (200 × 200 × 1) = 4 × 10 -7 years.
Wenn der Durchmesser des Tröpfchens 100 µm beträgt, beträgt die notwendige Energie U 3,85×10-9 J.If the diameter of the droplet is 100 µm, the necessary energy U is 3.85 × 10 -9 J.
Da somit Wmax 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 ρs 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
Cρ 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 th erhalten als
Since W max is several times larger than U, a droplet with the desired dimensions can be obtained. In other words, since the thin film 12 made of the shape / memory alloy develops a substantial positioning force, the desired droplet of the writing liquid 20 can be easily obtained. Furthermore, the displacement amount or the stroke resulting from the heating-up time, the output power and the remaining compressive force can be analyzed in one embodiment of the present invention as follows: the electrical energy is supplied to the thin film 12 from the shape / memory alloy in order to generate heat by internal resistance, and the phase is changed by the heat generated, it should be noted that the heating or heating time and the energy introduced until the thin film 12 of the shape / memory alloy with a temperature of 25 ° C to austenite at 70 ° C was heated, can be obtained as follows:
The substance of the thin film 12 made of the shape / memory alloy is TiNi, a length l of the thin film 12 made of the shape / memory alloy is 400 µm, a density ρ s of the thin film 12 made of the shape / memory alloy is 6450 kg / m 3 , and the amount of the temperature fluctuation ΔT is 45 ° C, corresponding to 70 minus 25. Furthermore, a specific heat is C ρ 230 J / Kg ° C, a specific resistance ρ of the thin film 12 from the shape / memory alloy is 80 µ.cm, the applied Current I is 1.0 A, a width w of the thin film made of the shape / memory alloy is 300 µm, and a height or thickness t of the thin film 12 made of the shape / memory alloy is 1.0 µm. The heating time t h is thus obtained as
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.Since the resistance R of the thin film 12 made of the shape / memory alloy, ie ρ (l / wt) is 1.1 Ω and the applied electrical power I 2 R is 1.1 watts, the energy required to generate the droplet can be obtained by:
Heating-up time multiplied by the electrical power = 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.The energy required to generate the droplet for dispensing the writing liquid 20 is therefore roughly 8.1 μJ, which is less than the previous energy expenditure of 20 μJ which was necessary in an ink jet system of the thermal type.
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.
Fig. 10 is a graphic representation showing the course of the warm-up or heating time to the temperature in the thin film 12 / memory alloy according to the present OF INVENTION dung from the mold, wherein the material values perimentes for carrying out the former are as follows:
The thickness of the thin film 12 made of the shape / memory alloy is 1 µm and the ambient temperature is 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.In the state where the ambient temperature is 25 ° C, the time required for heating the thin film 12 of the shape / memory alloy to 70 ° C to achieve the transition to the austenitic phase and for cooling to 30 ° C approximately 200 µsec, which corresponds to approximately 5 kHz if the frequency is to be converted. As a result, the operating frequency of the print head is approximately 5 kHz. However, since the temperature to complete the deformation (the final martensite temperature) is approximately 45 ° C, there is no need to wait for a cooling down to 30 ° C, but it can be reheated beforehand to continue the Dispense writing fluid 20 . Due to this fact, the operating frequency can be increased to over 5 kHz. Once the operating frequency is high, the printing speed increases accordingly.
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 Em 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 hm 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 Scr des
Dünnfilms 12 aus der Form/Gedächtnislegierung geschrie
ben werden kann als:
The displacement amount or the stroke can also be analyzed as follows depending on the remaining pressure load in the thin film 12 made of the shape / memory alloy ( FIG. 11):
It is assumed that a = b and a = 200 microns, wherein the substance of the thin film 12 alloy from the mold / memory TiNi is, the Young's modulus E m of the thin film 12 memory alloy contributes be of the form / 30 GPa, the residual compressive stress S, which acts on the thin film 12 made of the shape / memory alloy is 30 MPa; the Poisson coefficient V 0.3 be, the length of the thin film 12 made of the shape / memory alloy, which is exposed in the space 11 , is denoted by a, the thickness of the thin film 12 made of the shape / memory alloy is h m respectively, and the width of the thin film 12 alloy from the mold / memory, which is exposed in the space 11, is denoted by b, in which case a critical load S can be cr of the thin film 12 geschrie from the mold / memory alloy ben as:
und so die mittige Versetzung oder der mittige Hub
δm des Dünnfilms 12 aus der Form/Gedächtnislegierung so
definiert ist, daß:
and so the central displacement or the central stroke δ m of the thin film 12 made of the shape / memory alloy is defined such that:
Die Gesamtenergie Um, welche erzeugt wird, wenn der
Dünnfilm 12 aus der Form/Gedächtnislegierung verformt
wird, wird geschrieben als:
The total energy U m generated when the thin film 12 is deformed from the shape / memory alloy is written as:
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:
The total energy generated when the thin film 12 is deformed from the shape / memory alloy after the writing liquid 20 has been dispensed, changes in the deformation or warping force P, which triggers the bending deformation of the thin film 12 from the shape / memory alloy . The deformation force P is written as follows:
Um = P.ΔV.Um = P.ΔV.
Da ΔV (Volumenveränderung) = (δs.a2)/4 = 6,2×10-14 m3 beträgt, ist die Verformungskraft P 4,5 KPa.Since ΔV (volume change) = (δ s .a 2 ) / 4 = 6.2 × 10 -14 m 3 , the deformation force P is 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.If it is assumed that half of the total volume change, which is caused by the bending deformation of the thin film 12 from the shape / memory alloy, comes into play during the dispensing process, a droplet with 39 μm is formed.
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.
The amount of displacement or stroke with respect to the thickness and dimension of the thin film 12 made of the shape / memory alloy is shown in the table below, the corresponding unit being µm.
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. Fig. 12 shows sectional views showing the device according to another embodiment of the prior invention, the same parts as in Fig. 1 are provided with the same reference numerals.
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.The further embodiment of the present invention is provided with the baffle 13 and the nozzle plate 18 at the lower portion of the substrate 10 , which are shown in FIG. 12 with reference to any of the shape / memory alloy thin films 12 associated therewith.
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.The space 11 is formed in the substrate 10 and passes through it up and down, and the thin film 12 made of the shape / memory alloy is arranged on the upper portion of the substrate 10 to cover the space 11 . The guide plate 13 covers the lower section from the substrate 10 , the liquid chamber 14 for receiving the writing liquid 20 is formed accordingly the room 11 .
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.Furthermore, the nozzle plate 18 is arranged at the lower section of the guide plate 13 , which has the nozzle 19 corresponding to the liquid chamber 14 in the guide plate 13 . In its position, the nozzle 19 corresponds to the thin film 12 made of the shape / memory alloy, which is freely exposed in the direction of the liquid chamber 14 . Since the pressure in the liquid chamber 14 thus changes when the thin film 12 is deformed from the shape / memory alloy, the writing liquid 20 is sprayed in the form of a droplet via the nozzle 19 onto, for example, a sheet of paper.
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.The other embodiment of the present invention having the above structure has a structure identical to that of the shape memory alloy 12 of the first embodiment of the present invention. Here, the thin film 12 made of the shape / Ge memory alloy one-way and two-way properties depending on the manufacturing process, with a phase transformation to generate a gene, which in turn is dependent on temperature fluctuations. During this process, the writing liquid 20 located in the liquid chamber 14 and the space 11 is sprayed in the form of a droplet via the nozzle 19 onto the sheet of paper. In the other embodiment of the present invention, the writing liquid 20 is kept within the space 11 formed in the substrate 10 . Here, the liquid chambers 14 and fluid passages 16 can be easily formed in the substrate 10 .
Claims (9)
- - 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.
- - a conducting plate (13) with a plurality of flues sigkeitskammern (14) for receiving the writing fluid (20), said fluid chambers (14) path with a supply (15) for supplying the writing fluid (20) and each having a nozzle (19 ) are connected to eject the writing fluid ( 20 ),
- - Each one a liquid chamber ( 14 ) zugeordne th drive element for ejecting the writing liquid ( 20 ) in the form of droplets, which drive element closes the liquid chamber ( 14 ) on one side and consists of a shape memory alloy, which is dependent on a change in temperature undergoes a phase transformation,
- - An energy supply device ( 21 ) for supplying the drive elements with electrical energy for heating it for the phase transformation, characterized in that
- - That the drive elements on a plate ( 13 ) connected to the substrate ( 10 ) as a thin film ( 12 ) with titanium (Ti) and nickel (Ni) as main components are deposited in a thickness of 0.3 µm to 5 µm, whereby the thin film ( 12 ) can be converted completely into the austenite phase by heating above the austenite conversion temperature and by cooling below the martensite conversion temperature completely into the martensite phase, the thin film ( 12 ) having a residual pressure load and after being applied to it Substrate ( 10 ) of this exposed sections, which are produced by etching from the liquid chambers ( 14 ) of the line plate ( 13 ) associated chambers ( 11 ) into the substrate ( 10 ), in its inactive state in the martensite phase Chambers ( 11 ) has bulging bending deformation.
- - 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.
- Deposition of a thin film in a thickness of 0.3 µm to 5 µm from a shape memory alloy with titanium (Ti) and nickel (Ni) as main components on a substrate,
- Performing an annealing treatment on the thin film in order to cause crystal formation until a flat layer is formed which has the flat shape as an austenite phase,
- - cooling of the thin film until the transition to the full martensite phase with the formation of a residual pressure load;
- Etching the substrate to expose a section of each thin film, the exposed section of which undergoes bending deformation in the martensite phase and assumes a stretched position with the flat shape when heated above the austenite transformation end temperature and transition to the complete austenite phase,
- - Training of the shape behavior by repeated changes between the deformed shape in the martensite phase and the flat shape in the austenite phase by cooling and heating the thin film.
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