DE69936120T2

DE69936120T2 - Tintenstrahlstruktur,tintenstrahldruckkopf und tintenstrahldrucker

Info

Publication number: DE69936120T2
Application number: DE69936120T
Authority: DE
Inventors: Hitoshi Suwa-shi Fukushima
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1998-01-28
Filing date: 1999-01-26
Publication date: 2008-01-17
Anticipated expiration: 2019-01-27
Also published as: US6336697B1; CN1198728C; KR20010005764A; JP3960561B2; DE69936120D1; CN1255892A; WO1999038694A1; TW466181B; KR100621851B1; EP0972640A1; EP0972640B1; EP0972640A4; CA2278601A1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft die gewerbliche Anwendung von Tintenstrahl-Aufzeichnungsköpfen und insbesondere Modifikationen an der Flüssigkeitsstrahlstruktur, wobei Verbesserungen in den Flugeigenschaften der ausgestoßenen Flüssigkeitströpfchen, wie Linearität des Vorschubs und Gleichmäßigkeit der Mengen der Flüssigkeitströpfchen, erreicht werden können.
STAND DER TECHNIK
Das Verhalten eines Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfes wird stark dadurch beeinflusst, ob die Düse(n) eine Affinität für die Tintentröpfchen aufweisen oder nicht. Wenn die Tintenstrahl-Ausstoßoberfläche (d. h. die Oberfläche auf der Ausstoßseite, wo die Düse offen ist) eine hohe Affinität für die Tinte aufweist, werden die Tintentröpfchen beim Ausstoßen durch haftende Materialien, wie Papierstaub oder Tinte, die an der Ausstoßoberfläche zurückbleiben, angezogen und somit in einer abgelenkten Richtung, die nicht die ursprünglich geplante Ausstoßrichtung darstellt, ausgestoßen.
Ein herkömmliches Verfahren zur Stabilisierung der Ausstoßrichtung von Tintentröpfchen besteht darin, das Material, aus dem die Düsen-Ausstoßoberfläche gebildet ist, entsprechend auszuwählen und die Ausstoßoberfläche so zu behandeln, dass der Grad ihrer Affinität für die Tinte verringert wird. Eine vorveröffentlichte Erfindung zur Bildung von Düsenoberflächen aus einem selbst aggregierenden, monomolekularen Film ist im US-Patent 5 598 193 beschrieben. Gemäß diesem Behandlungsverfahren weist die Ausstoßoberfläche hydrophobe Eigenschaften gegenüber Tinte auf, weswegen die Tintentröpfchen nicht mehr in einer abgelenkten Richtung ausgestoßen werden.
Bei der vorstehend beschriebenen herkömmlichen, verbesserten Technik lässt sich zwar die Vorschublinearität der Flüssigkeitströpfchen verbessern, jedoch kann das Volumen der Flüssigkeit, die aus der oder den Düsen ausgestoßen wird, nicht stabilisiert werden. Da das Tintentröpfchenvolumen nicht stabilisiert werden kann, ist das Volumen der Tinte, die haften bleibt, von einem Flüssigkeitströpfchen zum anderen verschieden, so dass in einigen Fallen ein qualitativ hochwertiger Druck nicht ausgeführt werden kann.
Insbesondere bei Verwendung dieses Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfes für gewerbliche Anwendungen stellt die Instabilität des Volumens der ausgestoßenen Flüssigkeitströpfchen einen entscheidenden Mangel dar. Bei gewerblichen Anwendungen von Tintenstrahl-Aufzeichnungsköpfen werden Muster gebildet, indem man keine Tinte ausstößt, sondern Flüssigkeiten, die bei gewerblichen Anwendungen aus den Düsen der Tintenstrahl-Aufzeichnungsköpfe ausgestoßen werden. Bei gewerblichen Anwendungen, bei denen Tintenstrahl-Aufzeichnungsköpfe zur Musterbildung verwendet werden, sind beispielsweise die Zeilenabstände in den zu bildenden Mustern sehr klein. Wenn daher der Durchmesser der ausgestoßenen Flüssigkeitströpfchen nicht stabilisiert ist, ergeben sich Schwankungen im Volumen der anhaftenden Flüssigkeit und Muster lassen sich nicht mit stabilisierten Breiten ausbilden.
WO-97/27059 , die EP-829 357A entspricht, beschreibt eine Flüssigkeitsstrahlstruktur, die Düsen zum Ausstoßen einer Flüssigkeit umfasst, wobei die Düsen einen Strömungsweg umfassen, wobei der Grad der Affinität für die auszustoßende Flüssigkeit so eingestellt wird, dass er entlang der Richtung des Flüssigkeitsstroms unterschiedlich ist. Gemäß dieser Druckschrift wird eine Tintenabstoßungsschicht auf der Oberfläche der Düse sowie an der Innenwand der Düse ausgebildet. Diese Beschichtung kann gebildet werden, indem man eine vorgegebene Schwefelverbindung auf der Metalloberfläche des Düsenströmungswegs koaguliert. Jedoch wird gemäß dieser Druckschrift nur ein einziges Thiolat mit einer spezifischen Affinität abgeschieden, nicht jedoch zwei verschiedene Arten von Thiolaten.
US-4 166 277 beschreibt einen Tintenausstoß-Druckkopf, bei dem der Strömungsweg der Düse mit einer Schicht aus einem hydrophoben Material bedeckt werden kann. Die Tinte haftet nicht an den mit dem hydrophoben Material beschichteten Oberflächen und verbleibt auf der Höhe der Grenze zwischen der unbeschichteten Düsenwand und der Düsenwand mit dem hydrophoben Überzug. Ferner wird gemäß dieser Druckschrift nur ein einziger Typ einer Oberflächenbeschichtung verwendet, wobei dessen Material nicht spezifiziert ist.
Bei der gegebenen Sachlage besteht in dem Bestreben, die vorstehend geschilderten Probleme zu lösen, eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Flüssigkeitsstrahlstruktur bereitzustellen, mit der die Linearität des Vorschubs von ausgestoßenen Flüssigkeitströpfchen erhöht und der Durchmesser der Flüssigkeitströpfchen stabilisiert werden kann.
Eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfes, der bei gewerblichen Anwendungen infolge der Erhöhung der Linearität des Vorschubs von ausgestoßenen Flüssigkeitströpfchen und der Stabilisierung des Durchmessers der Flüssigkeitströpfchen eingesetzt werden kann.
Eine dritte Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Druckers, der zum Drucken mit einer hohen Druckqualität befähigt ist, und zwar aufgrund der Erhöhung der Linearität des Vorschubs der ausgestoßenen Flüssigkeitströpfchen und der Stabilisierung des Durchmessers der Flüssigkeitströpfchen.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Gegenstand der Erfindung ist eine Flüssigkeitsstrahlstruktur gemäß den Ansprüchen 1, 11 bzw. 12. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Angesichts der vorstehend geschilderten Probleme hat der Erfinder das Verhalten von Flüssigkeiten, z. B. von Tinte, beim Vorschub durch eine Düse und beim Ausstoßen in Form von Flüssigkeitströpfchen untersucht. Dabei wurde der folgende Sachverhalt festgestellt. Während sich eine Flüssigkeit entlang des Strömungswegs einer Düse bewegt, ergibt sich dann, wenn der Grad der Affinität für die Flüssigkeit plötzlich abnimmt, an dieser Stelle der Diskontinuität der Zustand, dass sich die Flüssigkeit von der Oberfläche von Wänden, die den Strömungsweg darstellen, trennt. Die Flüssigkeit, die sich von der Wandoberfläche trennt, unterliegt bei ihrem weiteren Weg nach unten einer Verengung. Anschließend trennt sich die Flüssigkeit aufgrund der Oberflächenspannung, wobei es sich bei der signifikanten Stelle um den Ort der Verengung handelt, wonach der vordere Teil der Flüssigkeit zu einem Flüssigkeitströpfchen wird und aus der Düsenöffnung ausgestoßen wird. Wenn die Geschwindigkeit, mit der die Flüssigkeit zu diesem Zeitpunkt vorgeschoben wird, gleich groß ist, bleibt die Position, an der sich der signifikante Punkt entwickelt, konstant und auch der Durchmesser der ausgestoßenen Flüssigkeitströpfchen bleibt konstant. Der Erfinder hat unter Ausnutzung dieses Verhaltens von Flüssigkeiten eine Struktur entwickelt, mit der Flüssigkeitströpfchen in stabiler Weise erzeugt werden, während der Grad der Affinität des die Düse bildenden Strömungswegs variiert wird.
Mit anderen Worten, die Erfindung zur Lösung der ersten vorgenannten Aufgabe besteht in einer Flüssigkeitsstrahlstruktur, bei der eine mit Düsen zum Ausstoßen einer Flüssigkeit versehene Flüssigkeitsstrahlstruktur bereitgestellt wird, und die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie eine Düse (oder Düsen) umfasst, die einen Strömungsweg aufweisen, bei dem der Grad der Affinität für die auszustoßende Flüssigkeit so eingestellt wird, dass sie entlang der Richtung des Flüssigkeitsstroms unterschiedlich ist. Der Grund hierfür besteht darin, dass dann, wenn der Grad der Affinität für eine Flüssigkeit in einem Strömungsweg verändert wird, sich die Flüssigkeit von der Oberfläche des Strömungswegs an diesem Änderungspunkt trennt und ein signifikanter Punkt auftritt sowie Flüssigkeitströpfchen von gleichmäßiger Größe erzeugt werden. Dieser Flüssigkeitsstrahlmechanismus kann bei allen Arten von Anwendungen eingesetzt werden, bei denen gleichmäßige Flüssigkeitströpfchen, die eine gute Linearität des Vorschubs aufweisen, erforderlich sind, z. B. bei industriellen Herstellungsanlagen, Injektoren und anderen medizinischen Einrichtungen sowie bei Treibstoffeinspritzvorrichtungen zusätzlich zu Düsenkomponenten in Tintenstrahl-Aufzeichnungsköpfen.
Unter "Flüssigkeit" ist hier nicht nur eine Tinte zu verstehen, sondern eine beliebige Flüssigkeit, die eine solche Viskosität aufweist, dass sie aus einer Düse ausgestoßen werden kann und in industriellen Anlagen verwendet werden kann.
Diese Flüssigkeit kann entweder wässrig oder ölig sein. In die Flüssigkeit kann auch ein vorgegebenes Gemisch von Substanzen in kolloidaler Form eingemischt sein. Unter "Grad der Affinität" ist ein Wert zu verstehen, der durch die Größe des Kontaktwinkels der Flüssigkeit mit einer Oberfläche bestimmt wird. Die Affinität für eine Flüssigkeit wird in relativer Weise durch den Kontaktwinkel der Flüssigkeit in bezug zu einer Vielzahl von Bereichen festgelegt. Beispielsweise stellen in einem Strömungsweg Bereiche mit kleinen Kontaktwinkeln mit der Flüssigkeit Bereiche von relativ hoher Affinität dar, während Bereiche mit großen Kontaktwinkeln mit der gleichen Flüssigkeit Bereiche von relativ niedriger Affinität darstellen. Ob eine Affinität für eine Flüssigkeit vorliegt oder nicht, wird in relativer Weise durch die Beziehung zwischen der Molekülstruktur der Flüssigkeit und der Molekülstruktur der Oberfläche des Strömungswegs festgelegt. Wenn somit die Flüssigkeit verändert wird, ändert sich auch der Grad der Affinität. In Fällen, bei denen die Flüssigkeit ein polares Molekül, z. B. Wasser, enthält, ergibt sich eine vergleichsweise hohe Affinität, d. h. eine hydrophile Beschaffenheit, wenn die Moleküle, die die Oberfläche des Strömungswegs bilden, eine polare Struktur aufweisen. Wenn die Moleküle, die die Oberfläche des Strömungswegs bilden, eine unpolare Struktur aufweisen, ergibt sich eine vergleichsweise geringe Affinität, d. h. eine wasserabstoßende Beschaffenheit. Umgekehrt ergibt sich in Fällen, bei denen die Flüssigkeit hauptsächlich aus unpolaren Molekülen gebildet ist, z. B. in einem organischen Lösungsmittel, eine vergleichsweise geringe Affinität, wenn die Moleküle, die die Oberfläche des Strömungswegs bilden, eine polare Struktur aufweisen, sowie eine vergleichsweise hohe Affinität, wenn die Moleküle, die die Oberfläche des Strömungswegs bilden, eine unpolare Struktur aufweisen. Demzufolge gibt es Fälle, bei denen die Oberfläche des Strömungswegs, die eine vergleichsweise hohe Affinität für eine Flüssigkeit aufweist, eine vergleichsweise geringe Affinität für eine andere Flüssigkeit aufweist.
Der hier in Betracht gezogene Strömungsweg wird, speziell ausgedrückt, durch einen molekularen Film gebildet, der in Form eines Thiolats vorliegt, wobei eine vorgegebene Schwefelverbindung auf einer Metalloberfläche koaguliert worden ist.
Die vorerwähnte Schwefelverbindung kann beispielsweise aus einer Thiolverbindung der chemischen Formel R-SH, wobei R eine Kohlenwasserstoffgruppe bedeutet, gebildet sein. Insbesondere dann, wenn n, m, p und q beliebige natürliche Zahlen sind und X und Y vorgegebene Elemente bedeuten, kann R durch eine der folgenden Formeln wiedergegeben werden, d. h. durch
C_nH_2n+1-,
C_nF_2n+1-,
C_nF_2n+1-C_mH_2m-,
C_nF_2n+1-(CH₂)_m-X-C≡C-C≡C-C-Y-(CH₂)_p-
HO₂C(CH₂)_n-,
HO(CH₂)_n-,
NC(CH₂)_n-,
H_2n+1C_n-O₂C-(CH₂)_m-,
H₃CO(CH₂)_n-,
X(CH₂)_n- (wobei X ein Halogenelement, wie Br, Cl oder I und dergl. bedeutet),
H₂C=CH(CH₂)_n-,
H₃C(CH₂)_n- oder
C_nF_2n+1-(CH₂)_m-(NHCO-CH₂)_p-(CH₂)_q-.
Die vorerwähnte Schwefelverbindung kann auch durch ein Gemisch von Thiolmolekülen gebildet werden, die voneinander verschiedene chemische Strukturformeln R¹-SH und R²-SH aufweisen, wobei R¹ und R² unterschiedliche Kohlenwasserstoffgruppen bedeuten. Insbesondere werden R¹ und R² durch eine der folgenden chemischen Strukturformeln wiedergegeben, d. h. durch
CF_2n+1- oder CnF_2n+1-C_mH_2m-.
Alternativ kann die vorerwähnte Schwefelverbindung aus einer Thiolverbindung der chemischen Strukturformel HS-R³-SH gebildet werden, wobei R³ eine vorgegebene Kohlenwasserstoffgruppe bedeutet. Insbesondere kann R³ durch eine der folgenden chemischen Strukturformeln wiedergegeben werden, d. h. durch
Alternativ gibt es Fälle, bei denen die vorgegebene Schwefelverbindung teilweise oder vollständig durch eine Thiolverbindung der chemischen Strukturformel R⁴-S-S-R⁴ gebildet wird, wobei R⁴ eine vorgegebene Kohlenwasserstoffgruppe bedeutet. Insbesondere wenn n, m, p und q beliebige natürliche Zahlen bedeuten und X und Y vorgegebene Elemente bedeuten, lässt sich R⁴ durch eine der folgenden chemischen Strukturformeln wiedergeben, d. h. durch
C_nH_2n+1-,
C_nF_2n+1-,
C_nF_2n+1-C_mH_2m-,
C_nF_2n+1-(CH₂)_m-X-C≡C-C≡C-C-Y-(CH₂)_p
HO₂C(CH₂)_n-,
HO(CH₂)_n-,
NC(CH₂)_n-,
H_2n+1C_n-O₂C-(CH₂)_m-,
H₃CO(CH₂)_n-,
X(CH₂)_n- (wobei X ein Halogenelement, wie Br, Cl oder I und dergl. bedeutet),
H₂C=CH(CH₂)_n-,
H₃C(CH₂)_n- oder
C_nF_2n+1-(CH₂)_m-(NHCO-CH₂)_p-(CH₂)_q-.
Der hier in Betracht kommende Strömungsweg ist mit einem Diskontinuitätspunkt versehen, bei dem der Grad der Affinität für die Flüssigkeit steil vom stromaufwärtigen Ende zum stromabwärtigen Ende hin abfällt.
Dieser Strömungsweg ist beispielsweise am stromabwärtigen Ende mit einem Bereich mit einer Länge von 1 μm bis 100 μm versehen, in dem der Grad der Affinität für die Flüssigkeit relativ gering ist.
Ferner wird in diesem Strömungsweg der Grad der Affinität für die Flüssigkeit so eingestellt, dass er allmählich vom stromaufwärtigen Ende in Richtung zum stromabwärtigen Ende ansteigt.
Dieser Strömungsweg kann auch am stromabwärtigen Ende mit einem Bereich versehen werden, in dem der Grad der Affinität für die Flüssigkeit in Reaktion auf Veränderungen einer physikalischen Größe, d. h. Wärme, Stärke eines elektrischen Felds oder Stärke eines Magnetfelds, variiert werden kann. Wenn dies der Fall ist, werden ferner Mittel zur Zufuhr einer der physikalischen Größen, d. h. Wärme, elektrische Feldstärke oder Magnetfeldstärke, in der Weise vorgesehen, dass die Größe variiert werden kann.
Die Ausstoßfläche des vorerwähnten Strömungswegs, aus dem die Flüssigkeit ausgestoßen wird, wird beispielsweise so eingestellt, dass der Grad der Affinität für die Flüssigkeit relativ gering ist.
Ferner wird die innere Oberfläche eines Reservoirs zur Zufuhr der Flüssigkeit zum Strömungsweg beispielsweise so eingestellt, dass der Grad der Affinität für die Flüssigkeit relativ hoch wird.
Gegenstand der Erfindung zur Lösung der zweiten vorgenannten Aufgabe ist ein Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf, der die erfindungsgemäße Flüssigkeitsstrahlstruktur umfasst. Was das Strahlprinzip betrifft, so kann ein Piezostrahlmodus, Bläschenstrahlmodus oder statischer elektrischer Modus eingesetzt werden.
Gegenstand der Erfindung zur Lösung der vorerwähnten dritten Aufgabe ist ein Drucker, der den Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf der vorliegenden Erfindung umfasst.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Querschnittdarstellung der Hauptkomponenten einer Flüssigkeitsstrahlstruktur in einer ersten Ausführungsform;
2 zeigt einen Satz von Darstellungen zur Erläuterung der Art und Weise, wie Tinte aus einer herkömmlichen Flüssigkeitsstrahlstruktur ausgestoßen wird.
3 zeigt einen Satz von Darstellungen zur Erläuterung des Prinzips des Tintenausstoßes aus der erfindungsgemäßen Flüssigkeitsstrahlstruktur.
4 zeigt einen Satz von Querschnittdarstellungen der Herstellungsverfahren für die Flüssigkeitsstrahlstruktur der ersten Ausführungsform.
5 zeigt einen Satz von Darstellungen zur Erläuterung der Selbstanreicherung einer Thiolverbindung.
6 zeigt eine Querschnittdarstellung der Hauptkomponenten der Flüssigkeitsstrahlstruktur einer zweiten Ausführungsform.
7 zeigt eine Querschnittdarstellung der Hauptkomponenten einer Flüssigkeitsstrahlstruktur einer dritten Ausführungsform.
8 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Steuereigenschaften eines Bereiches von geringer Affinität der dritten Ausführungsform.
9 ist eine Gesamtdiagonalansicht einer Ausführungsform eines Druckers.
10 ist eine Diagonalansicht zur Erläuterung der Struktur einer Ausführungsform eines Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfes.
11 ist eine Diagonalansicht (teilweise im Schnitt) der Hauptkomponenten einer Ausführungsform eines Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfes.
12 ist eine Darstellung des Betriebsprinzips eines Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfes.
BESTE AUSFÜHRUNGSFORM ZUR DURCHFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Die besten Ausführungsformen zur Durchführung der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Ausführungsform 1
Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft eine Flüssigkeitsstrahlstruktur, bei der im Strömungsweg der Flüssigkeitsstrahlstruktur ein Diskontinuitätspunkt ausgebildet ist, an dem sich der Grad der Affinität für eine Flüssigkeit sehr rasch ändert.
Diese Ausführungsform bedient sich der erfindungsgemäßen Flüssigkeitsstrahlstruktur in der Düsenkomponente eines Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfes, der in einem Tintenstrahldrucker verwendet wird. Drucktinte wird als Flüssigkeit verwendet. 9 zeigt eine Diagonalansicht des Tintenstrahldruckers dieser Ausführungsform. Wie in 9 dargestellt, umfasst der Tintenstrahldrucker 100 in dieser Ausführungsform einen Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf 101 und eine Schale 103 und dergl. im Hauptkörper 102. Die Schale 103 wird mit Papier 105 beschickt. Wenn Druckdaten aus einem Computer (nicht abgebildet) zugeführt werden, ziehen innere Walzen (nicht abgebildet) das Papier 105 in den Hauptkörper 102 ein. Wenn das Papier 105 den Bereich der Walzen passiert, wird es mit dem Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf 101 bedruckt, der in den mit dem Doppelpfeil in der Figur angegebenen Richtungen gesteuert wird. Anschließend wird das Papier aus einem Ausstoßschlitz 104 ausgestoßen. Wenn dabei die Abgabe von Tintentröpfchen aus dem Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf 101 nicht exakt durchgeführt wird, verschlechtert sich die Druckqualität auf dem Papier 105. Dagegen arbeitet die erfindungsgemäße Flüssigkeitsstrahlstruktur in einwandfreier und wirksamer Weise.
Wenn die erfindungsgemäße Flüssigkeitsstrahlstruktur bei industriellen Anwendungen eingesetzt wird, werden anstelle von Tinte Lösungen und Lösungsmittel für industrielle Zwecke verwendet und die Tintenstrahl-Aufzeichnungsköpfe werden als Flüssigkeitsausstoßeinrichtungen in Herstellungsanlagen verwendet.
10 zeigt eine Diagonalansicht zur Darstellung der Struktur des Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfes dieser Ausführungsform. 11 zeigt eine Diagonalansicht und eine partielle Querschnittansicht der Struktur der Hauptkomponenten des Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfes. Dieser Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf 101 ist mit einer Düsenplatte 1 ausgestattet, die mit Düsen 11 und einem Druckkammersubstrat 2 versehen ist. Das Substrat 2 ist mit einem Vibrationsfilm 3 versehen, der in einen Rahmen 5 passt. Das Druckkammersubstrat 2 ist sandwichartig zwischen der Düsenplatte 1 und dem Vibrationsfilm 3 angeordnet.
Die Düsenplatte 1 weist Düsen 11 auf, die in Positionen ausgebildet sind, die Hohlräumen 21 entsprechen, wenn die Düsenplatte 1 mit dem Druckkammersubstrat 2 verbunden wird. In diesen Düsen wird die erfindungsgemäße Flüssigkeitsstrahlstruktur verwendet, wie nachstehend ausführlich erläutert wird (vergl. 1). Das Druckkammersubstrat 2 ist mit einer Mehrzahl von Hohlräumen 21, die jeweils als Druckkammern wirken können, versehen, die durch Ätzen eines monokristallinen Siliciumsubstrats oder dergl. erhalten worden sind. Die Hohlräume 21 können jeweils als Druckkammer fungieren. Die Hohlräume 21 sind durch Seitenwände 22 voneinander getrennt. Jeder Hohlraum 21 ist mit einer Zufuhröffnung 24 mit einem Reservoir 23, das einen gemeinsamen Strömungsweg darstellt, verbunden. Der Vibrationsfilm 3 wird beispielsweise durch einen Thermooxidationsfilm oder dergl. gebildet. Piezoelektrische Elemente 4 sind am Vibrationsfilm 3 an Positionen entsprechend den Hohlräumen 21 ausgebildet. Eine Tintentanköffnung 31 ist ferner im Vibrationsfilm 3 vorgesehen, die so ausgebildet ist, dass Tinte aus einem Tintentank (nicht abgebildet) zugeführt werden kann. Die piezoelektrischen Elemente 4 umfassen eine Struktur, bei der beispielsweise PZT-Elemente oder dergl. sandwichartig zwischen oberen Elektroden und unteren Elektroden (nicht abgebildet) angeordnet sind.
Der Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf dieser Ausführungsform weist ferner ein Reservoir zur Aufnahme von Tinte im Druckkammersubstrat 2 auf, wobei aber die Düsenplatte auch in einer laminierten Struktur mit einem in ihrem Inneren vorgesehenen Reservoir ausgebildet sein kann.
Im folgenden wird das Tintenabgabeprinzip auf der Grundlage der Konfiguration des vorstehend beschriebenen Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfes unter Bezugnahme auf 12 erläutert. 12 zeigt eine Querschnittansicht entlang der Linie A-A von 11. Tinte 6 wird dem Reservoir 23 aus dem Tintentank (nicht abgebildet) über die Tintentanköffnung 31, die im Vibrationsfilm 3 vorgesehen ist, zugeführt. Die Tinte 6 läuft von diesem Reservoir 23 aus durch die Zufuhröffnung 24 in die einzelnen Hohlräume 21. Wenn eine Spannung zwischen der oberen Elektrode und der unteren Elektrode des piezoelektrischen Elements 4 angelegt wird, ändert sich das Volumen des Elements. Diese Volumenänderung deformiert den Vibrationsfilm 3 und verändert das Volumen des Hohlraums 21.
Der Vibrationsfilm 3 wird nicht deformiert, wenn keine Spannung angelegt wird. Beim Anlegen einer Spannung werden jedoch der Vibrationsfilm 3b und das piezoelektrische Element 4b an Positionen, die in 12 mit gestrichelten Linien dargestellt ist, deformiert. Wenn das Volumen im Innern des Hohlraums 21 sich verändert, steigt der Druck auf die Tinte 6, die den Hohlraum 21 füllt. Tinte 6 wird der Düse 11 zugeführt und ein Tintentröpfchen 61 wird ausgestoßen. Zu diesem Zeitpunkt wird die Flüssigkeitsstrahlstruktur der vorliegenden Erfindung so aktiviert, dass das Tintentröpfchen 61 einen bestimmten Durchmesser aufweist und das Tröpfchen mit einem linearen Vorschub ausgestoßen wird.
Die Düsenplatte kann einstückig mit dem Druckkammersubstrat ausgebildet sein. In diesem Fall wird gemäß 12 eine unbearbeitete Siliciumplatte geätzt, und Formen, die der Düsenplatte 1 und dem Druckkammersubstrat 2 entsprechen, werden einstückig ausgebildet. Die Düsen werden nach dem Ätzen hergestellt.
1 zeigt eine Querschnittansicht der Düsenplatte 1 dieser Ausführungsform, wobei der Schnitt in der Ebene, die die Düse 11 einschließt, vorgenommen ist. Gemäß dieser Darstellung wird aufgrund der Betätigung des Druckkammersubstrats 4 Tinte von unten nach oben gedrückt und abgegeben. Mit anderen Worten, das obere Ende der Düse 11 entspricht dem stromabwärtigen Bereich des Strömungswegs, während das untere Ende der Düse 11 dem stromaufwärtigen Bereich des Strömungswegs entspricht. Die Düsenplatte 1 fasst Bereiche 120, 130, 140 und 150, die auf der Oberfläche einer Basis 110 eines molekularen Films ausgebildet sind, wobei Thiolmoleküle selbstaggregierend ausgebildet sind, was es ermöglicht, die Affinität für die Tinte zu steuern.
Die Basis 110 ist aus einem Material hergestellt, das eine für eine Düsenplatte geeignete Härte und Elastizität aufweist, wobei ein Metallfilm leicht als Unterschicht für den molekularen Film der Bereiche 120, 130, 140 und 150, die die Affinität steuern, ausgebildet werden kann. Als dieses Basismaterial können Metalle, keramische Materialien, Harze und dergl. verwendet werden. Geeignete Metalle umfassen rostfreie Legierungen, Nickel und dergl. Geeignete keramische Materialien umfassen Siliciumdioxid, Zirkoniumoxid und dergl. Geeignete Harze umfassen Polyimide, Polyphenylensulfide, Polysulfone und dergl. Die Dicke der Basis 110 soll so beschaffen sein, dass sich eine angemessene mechanische Festigkeit ergibt. Beispielsweise soll die Dicke bei Verwendung von rostfreiem Stahl 100 bis 300 μm oder mehr betragen.
Die Düsen 11 sind so ausgebildet, dass sie durch die Basis 110 so verlaufen, dass sich ein zylindrischer Strömungsweg ergibt. Die Querschnittgestalt des Strömungsweges muss jedoch nicht kreisförmig sein und die Richtung des Strömungsweges braucht nicht linear zu verlaufen.
Anstelle der Ausbildung der Düsen in Form von Durchgangslöchern in einem einheitlichen Material, z. B. dem Material der Basis, können ferner die Düsen Strömungswege darstellen, die zwischen einer Mehrzahl von Materialien gebildet sind. Die Gesamtlänge einer jeden Düse 11 soll so beschaffen sein, dass sich eine ausreichende Linearität des Vorschubs der Flüssigkeit ergibt, wobei eine Einstellung auf eine solche Länge vorgenommen wird, dass sich keine Überforderung des piezoelektrischen Elements 4 aufgrund der Tatsache, dass der Strömungswegwiderstand zu hoch ist, ergibt. Die Gesamtlänge der einzelnen Düsen 11 soll beispielsweise 1 μm bis 1000 μm oder dergl. betragen. Der Lochdurchmesser der Düsen 11 ist je nach der Viskosität der Flüssigkeit, dem Ausstoß des piezoelektrischen Elements 4 und dergl. so einzustellen, dass Flüssigkeitströpfchen des angestrebten Durchmessers ausgestoßen werden. Dieser Durchmesser soll beispielsweise 30 μm oder dergl. betragen.
In jeder Düse 11 wird die erfindungsgemäße Flüssigkeitsstrahlstruktur realisiert, indem man nacheinander in Richtung des Tintenstroms an den Innenwänden 14 (nachstehend als "Strömungswegwände" bezeichnet) der düsen, die den Strömungsweg, der beide Seiten der Basis 110 durchdringt, bilden, einen Bereich von relativ hoher Affinität für die Tinte 6, die die Flüssigkeit darstellt, und einen Filmbereich von relativ geringer Affinität für die Tinte bereitstellt. Im stromabwärtigen Bereich der Düse 11 ist ein Bereich 130 von geringer Affinität ausgebildet, der eine relativ geringe Affinität aufweist, während im stromaufwärtigen Bereich ein Bereich hoher Affinität 140 ausgebildet ist, der eine relativ hohe Affinität aufweist. Dieser Bereich 140 von hoher Affinität und dieser Bereich 130 von geringer Affinität sind so angeordnet, dass ein Diskontinuitätspunkt gebildet wird, so dass die Affinität für die Tinte vom stromaufwärtigen Ende des Strömungswegs in Richtung zum stromabwärtigen Ende sehr rasch abfällt. Ferner ist ein Bereich 120 von geringer Affinität, der eine relativ geringe Affinität für die Tinte aufweist, an der Oberfläche 12 (nachstehend als "äußere Oberfläche" bezeichnet) der Basis 110 ausgebildet, wo die Flüssigkeit ausgestoßen wird. Ein Bereich hoher Affinität 150, der eine relativ hohe Affinität für die Tinte aufweist, ist auf der Oberflä che (nachstehend als "innere Oberfläche" bezeichnet) der Basis 110 auf der Hohlraumseite ausgebildet. Die Bereiche 120 und 130 von niedriger Affinität weisen einen geringen Affinitätsgrad für die Tinte auf, weswegen es sich um Bereiche handelt, an denen die Tinte bereitwillig abgetrennt wird. Der Grad der Affinität für die Tinte ist in den Bereichen hoher Affinität 140 und 150 hoch, so dass es sich um Bereiche handelt, an denen die Tinte bereitwillig haftet. Die Innenwände 13 der Basis 110 können auch in konischer Form ausgebildet sein, um die Tinte ohne Widerstand in Richtung zur Düse 11 zu leiten.
Die Länge x1 in Strömungswegrichtung der Düse 11 im Bereich, wo der Bereich 130 von geringer Affinität ausgebildet ist, wird so eingestellt, dass die Tinte sich vollständig von der Strömungswegoberfläche 14 trennen kann, und zwar nach einer Länge, die nicht so groß ist, dass die Linearität des Vorschubs der Flüssigkeitströpfchen beeinträchtigt wird. Speziell soll dieser Wert
1 μm ≤ x1 ≤ 100 μm
und vorzugsweise
10 μm ≤ x1 ≤ 50 μm
betragen.
Außerdem handelt es sich bei der Länge y1 in Strömungswegrichtung der Düse 11 im Bereich, wo der Bereich 140 von hoher Affinität ausgebildet ist, um eine solche Länge, dass die Linearität des Vorschubs der Flüssigkeitströpfchen bestimmt erreicht werden kann, wobei diese Länge so eingestellt ist, dass sie nicht so groß ist, dass der Strömungswegwiderstand erhöht wird und das piezoelektrische Element 4 übermäßig beansprucht wird. Speziell soll für diese Länge der folgende Ausdruck gelten:
100 μm ≤ y1 ≤ 200 μm.
Diese Bereiche zur Steuerung der Affinität werden ausgebildet, indem man an der Basis Oberflächenbehandlungen durchführt. Es ist besonders erstrebenswert, dass diese Bereiche durch selbstaggregierende molekulare Filme ausgebildet sind. Der Grund hierfür ist, dass ein selbstkoagulierender molekularer Film die angestrebten Eigenschaften aufweist, dass die Filmdicke d konstant ist (2 nm oder dergl.) und der Film gegen Abrieb beständig ist. Der selbstaggregierende molekulare Film wird auf einer Metallsschicht, die an der Oberfläche der Basis vorgesehen ist, ausgebildet, indem man eine Schwefelverbindung zur Koagulation unter spezifischen Bedingungen veranlasst und als Thiolat fixiert. Der Grad der Affinität für die Tinte wird durch den Typ der Schwefelverbindung festgelegt, deren Koagulation an der Oberfläche der Metallschicht veranlasst wird.
Für die Metallschicht, die bei der Koagulation der Schwefelverbindung zur unteren Schicht wird, wird Gold (Au) verwendet, da es chemisch und physikalisch stabil ist. Weitere Metalle, die dazu befähigt sind, die Schwefelverbindung chemisch zu absorbieren, können jedoch ebenfalls verwendet werden, z. B. Silber (Ag), Kupfer (Cu), Indium (In) und Gallium-Arsen (Ga-As). Eine bekannte Technik, wie Nassplatieren, Vakuumabscheidung oder Vakuumzerstäubung, kann zur Bildung der Metallschicht auf der Basis verwendet werden. Der Typ des eingesetzten Verfahrens unterliegt keinen Beschränkungen, sofern es sich um ein Filmbildungsverfahren handelt, mit dem ein dünner Metallfilm mit konstanter Dicke in gleichmäßiger Weise gebildet werden kann. Die Funktion der Metallschicht besteht darin, die Schicht der Schwefelverbindung zu sichern, so dass die Metallschicht selbst äußerst dünn sein kann. Somit kann ihre Dicke im allgemeinen in der Größenordnung von 500 bis 2000 Å liegen.
Um die Haftung zwischen dem Metall und der Basis 110 zu verstärken, ist es bevorzugt, dass eine Zwischenschicht zwischen der Basis und dem Metall vorgesehen wird. Es ist erstrebenswert, dass es sich bei dieser Zwischenschicht um ein Material handelt, das die Bindungskraft zwischen der Basis 110 und der Metallschicht verstärkt, z. B. um Nickel (Ni), Chrom (Cr), Tantal (Ta) oder eine Legierung davon (Ni-Cr und dergl.). Wenn eine Zwischenschicht vorgesehen ist, nimmt die Bindungskraft zwischen der Basis 110 und der Metallschicht zu, wodurch ein Ablösen der Schicht der Schwefelverbindung aufgrund von mechanischer Reibung erschwert wird.
Der selbstaggregierende molekulare Film wird durch Lösen der erwünschten Schwefelverbindung unter Bildung einer Lösung und durch anschließendes Eintauchen der Düsenplatte 11 mit einer darauf ausgebildeten Metallschicht gebildet. Bei dem hier verwendeten Ausdruck "Schwefelverbindung" handelt es sich um einen allgemeinen Ausdruck für organische Verbindungen, die Schwefel (S) enthalten und die eine oder mehrere funktionelle Thiolgruppen oder eine Disulfidbindung (S-S) enthalten. Diese Schwefelverbindungen werden spontan chemisch an der Oberfläche von Gold und anderen Metallen adsorbiert, und zwar entweder in gelöstem Zustand oder unter flüchtigen Bedingungen, so dass monomolekulare Filme entstehen, die eine nahezu zweidimensionale kristalline Struktur aufweisen. Derartige molekulare Filme, die durch spontane chemische Adsorption gebildet werden, werden als selbstaggregierende Filme, selbstorganisierende Filme oder selbstaufbauende Filme bezeichnet. Derzeit werden auf diesem Gebiet Grundlagenforschungen und anwendungsorientierte Forschungen durchgeführt. Bei dieser Ausführungsform kommt insbesondere Gold (Au) in Betracht, wobei aber selbstaggregierende Filme auch in der gleichen Weise auf den Oberflächen anderer Metalle gebildet werden können, wie vorstehend erwähnt wurde.
Für diese Schwefelverbindung wird eine Thiolverbindung bevorzugt. Bei dem hier verwendeten Ausdruck "Thiolverbindung" handelt es sich um einen allgemeinen Ausdruck für organische Verbindungen mit einer Mercaptogruppe (-SH), die durch R-SH wiedergegeben werden, wobei R eine Alkylgruppe oder eine andere Kohlenwasserstoffgruppe bedeutet. Im allgemeinen weisen die meisten Bereiche, in denen ein Thiolat unter Verwendung einer Schwefelverbindung mit einer hydrophilen polaren Gruppe, z. B. einer OH-Gruppe oder CO₂H-Gruppe ausgebildet ist, eine relativ hohe Affinität für wässrige Tinten auf. Die meisten Bereiche, in denen Thiolate unter Verwendung von Schwefelverbindungen mit anderen, unpolaren Gruppen ausgebildet sind, weisen eine relativ geringe Affinität für wässrige Tinten auf. Jedoch handelt es sich beim hohen oder tiefen Wert des Grads der Affinität um einen relativen Sachverhalt, der dadurch festgelegt wird, in welcher Region die höhere Affinität für die Flüssigkeit (Tinte), die durch den Fließweg strömt, gegeben ist. Demgemäß bilden Thiolate auf der Basis der gleichen Thiolverbindungen entweder einen Bereich von hoher Affinität, der eine relativ hohe Affinität für eine Flüssigkeit aufweist, oder einen Bereich von geringer Affinität, der eine relativ geringe Affinität für eine Flüssigkeit aufweist, und zwar in Abhängigkeit von der Kombination mit der anderen Thiolverbindung, die gleichzeitig verwendet wird. Je größer der Unterschied im Grad der Affinität ist, den diese Thiolverbindungen aufweisen, desto günstiger ist es.
Gemäß dieser Ausführungsform können die Thiolverbindungen, die in den Bereichen zur Steuerung der Affinität verwendet werden können, aus den folgenden Gruppen ausgewählt werden.

1) Wenn R eine Kohlenwasserstoffgruppe bedeutet, handelt es sich um eine Verbindung, die durch eine Thiolverbindung der chemischen Strukturformel R-SH wiedergegeben wird.

Wenn diese Verbindung auf einer Metallschicht koaguliert, wird elementarer Wasserstoff den -SH-Gruppen entzogen und elementarer Schwefel geht eine direkte Bindung mit dem Metall ein. Speziell ausgedrückt, wenn n, m, p und q ganze natürliche Zahlen darstellen und X und Y vorgegebene Elemente bedeuten, so wird R durch eine der folgenden Formeln wiedergegeben, nämlich durch
C_nH_2n+1-,
C_nF_2n+1-,
C_nF_2n+1-C_mH_2m-,
C_nF_2n+1-(CH₂)_m-X-C≡C-C≡C-C-Y-(CH₂)_p-
HO₂C(CH₂)n-,
HO(CH₂)_n-,
NC(CH₂)_n-,
H_2n+1C_n-O₂C-(CH₂)_m-,
H₃CO(CH₂)_n-,
X(CH₂)_n- (wobei X ein Halogenelement, wie Br, Cl oder I und dergl. bedeutet),
H₂C=CH(CH₂)_n-,
H₃C(CH₂)_n- oder
C_nF_2n+1-(CH₂)_m-(NHCO-CH₂)_p-(CH₂)_q-.

2) Eine Verbindung, die durch ein Thiolmolekülgemisch der sich voneinander unterscheidenden chemischen Strukturformeln R¹-SH und R²-SH wiedergegeben wird, wobei R¹ und R² unterschiedliche Kohlenwasserstoffgruppen bedeuten.

Wenn diese Verbindung auf einer Metallschicht koaguliert, wird den -SH-Gruppen elementarer Wasserstoff entzogen und elementarer Schwefel geht direkt eine Verbindung mit dem Metall ein. Dies führt zu einem Gemisch von 2 Thiolat-Typen. Speziell ausgedrückt, R¹ und R² werden durch eine der folgenden chemischen Strukturformeln wiedergegeben, d. h. durch C_nF_2n+1- oder C_nF_2n+1-C_mH_2m-.

3) Eine Verbindung, die durch eine Thiolverbindung der chemischen Strukturformel HS-R³-SH wiedergegeben wird, wobei R³ eine vorgegebene Kohlenwasserstoffgruppe bedeutet.

Wenn diese Verbindung auf einer Metallschicht koaguliert, wird elementarer Wasserstoff den –SH-Gruppen entzogen und elementarer Schwefel geht direkt eine Bindung mit dem Metall ein. Speziell ausgedrückt, R³ kann durch eine der folgenden chemischen Strukturformeln wiedergegeben werden, d. h. durch

4) Es wird entweder partiell oder vollständig eine Thiolverbindung der chemischen Strukturformel R⁴-S-S-R⁴ ausgebildet, wobei R⁴ eine vorgegebene Kohlenwasserstoffgruppe bedeutet.

Wenn diese Verbindung auf der Metallschicht koaguliert, werden die kovalenten Bindungen zwischen den Schwefelatomen entfernt, und zwar entweder partiell oder vollständig, und einige der elementaren Schwefelatome gehen eine direkte Bindung mit dem Metall ein. Speziell ausgedrückt, wenn n, m, p und q beliebige natürliche Zahlen bedeuten, und X und Y vorgegebene Elemente bedeuten, wird R⁴ durch eine der folgenden chemischen Strukturformeln wiedergegeben, d. h. durch
C_nH_2n+1-,
C_nF_2n+1-,
C_nF_2n+1-C_mH_2m-,
C_nF_2n+1-(CH₂)_m-X-C≡C-C≡C-C-Y-(CH₂)_p
HO₂C(CH₂)_n-,
HO(CH₂)_n-,
NC(CH₂)_n-,
H_2n+1C_n-O₂C-(CH₂)_m-,
H₃CO(CH₂)_n-,
X(CH₂)_n- (wobei X ein Halogenelement, wie Br, Cl oder I und dergl. bedeutet),
H₂C=CH(CH₂)_n-,
H₃C(CH₂)_n- oder
C_nF_2n+1-(CH₂)_m-(NHCO-CH₂)_p-(CH₂)_q-.
Anstelle der Bildung eines einzigen, selbstaggregierenden molekularen Films im gesamten Bereich des Strömungswegs als einer Region zur Steuerung der Affinität, kann ein Muster ausgebildet werden, wobei Bereiche mit einem selbstaggregierenden molekularen Film und Bereiche ohne einen derartigen Film vorgesehen werden. Wenn eine derartige Konfiguration realisiert wird, kann die Affinität der Bereiche eingestellt werden, indem man das Flächenverhältnis zwischen Bereichen mit dem molekularen Film und den Bereichen ohne den molekularen Film verändert.
In 5 wird das Prinzip der Selbstaggregation bei Verwendung einer Thiolverbindung als Schwefelverbindung erläutert. Wie in 5A dargestellt, weist die Thiolverbindung Schwanzbereiche auf, die durch Mercaptogruppen ausgebildet sind. Diese Verbindung wird in einer Konzentration von 1 bis 10 mM in Ethanol gelöst. In diese Lösung wird der Goldfilm getaucht, wie in 5B dargestellt ist. Lässt man diese Anordnung 1 Stunde oder dergl. bei Raumtemperatur stehen, so unterliegt die Thiolverbindung einer spontanen Aggregation auf der Goldoberfläche. Die Goldatome und die Schwefelatome gehen miteinander kovalente Bindungen ein und ein molekularer Film von Thiolmolekülen entsteht in zweidimensionaler Weise auf der Oberfläche des Goldes (vergl. 5D). Die Dicke dieses Films hängt vom Molekulargewicht der Schwefelverbindung ab, liegt aber in der Größenordnung von 10-50 Å. In einigen Fallen wird der Film in Form einer zweidimensionalen Anordnung von einzelnen Molekülen ausgebildet, während in anderen Fallen eine zweidimensionale Anordnung einer Mehrzahl von Molekülen ausgebildet wird, wobei eine weitere Verbindung mit den Gruppen von zweidimensional angeordneten Einzelmolekülen reagiert.
Wirkung
2 dient der Erläuterung der Probleme, die bei der Abgabe von Flüssigkeitströpfchen aus einem Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf bei Verwendung einer herkömmlichen Düsenplatte auftreten. Wenn das piezoelektrische Element sich im stationären Zustand befindet, bei dem keine Volumenveränderung auftritt, entsteht ein Meniskus 62 am Rand der Düse 11, und zwar aufgrund der Oberflächenspannung der Tinte 6 (vergl. 2A). Wenn das piezoelektrische Element angesteuert wird und im Hohlraum eine Volumenänderung auftritt, wird die Tinte aus der Düse 11 gedrückt. Die Tinte 6, die aus der Düse getrieben wird, weist eine Verengung an einem signifikanten Punkt PS auf, der durch das Gleichgewicht der Oberflächenspannung erzeugt wird (vergl. 26). Die am signifikanten Punkt PS auftretende Verengung wird aufgrund der Einwirkung der Oberflächenspannung größer. Die Säule der Tinte 6 trennt sich schließlich an der Spitze, wobei das Flüssigkeitströpfchen 61 ausgestoßen wird (vergl. 2C).
Wenn eine Flüssigkeit aus einer herkömmlichen Düsenplatte ausgestoßen wird, sind die Positionen, an denen sich die signifikanten Punkte entwickeln, aufgrund der Tatsache, dass die Entwicklung von signifikanten Punkten auf das Gleichgewicht der Oberflächenspannung zurückzuführen ist, nicht konstant. Die Größe der ausgestoßenen Flüssigkeitströpfchen 61 hängt von der Position ab, an der der signifikante Punkt PS auftritt, so dass der Durchmesser der Tröpfchen nicht konstant ist. Wenn ferner die äußere Oberfläche der Düsenplatte keiner wasserabstoßenden Behandlung unterworfen worden ist, wird die Säule der Tinte, die aus der Düse 11 austritt, durch die Oberflächenspannung gebogen, worauf die Richtung, in der die Flüssigkeitströpfchen 61 ausgestoßen werden, ebenfalls einer Biegung unterliegt.
In 3 ist die Art und Weise dargestellt, wie Flüssigkeitströpfchen aus einem Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf abgegeben werden, wenn die erfindungsgemäße Düsenplatte verwendet wird. Wenn sich das piezoelektrische Element in einem stationären Zustand befindet, bei dem keine Volumenänderung auftritt, haftet die Tinte 6 nicht am Bereich 130 von geringer Affinität. Daher entwickelt sich ein Meniskus 62 aufgrund der Oberflächenspannung der Tinte 6 am Diskontinuitätspunkt, d. h. dem Punkt, wo der Bereich 140 von hoher Affinität und der Bereich 130 von geringer Affinität verbunden sind (vergl. 3A). Wenn das piezoelektrische Element 4 angesteuert wird und eine Volumenänderung im Hohlraum 21 hervorgerufen wird, wird die Tinte 6 herausgedrückt. Der Bereich 130 von geringer Affinität bewirkt, dass sich die Tinte 6 zurückzieht, weswegen die Säule der Tinte 6 ausgehend von der Grenzfläche zwischen dem Bereich 130 von geringer Affinität und dem Bereich 140 von hoher Affinität wächst. Die Tinte 6 haftet am Bereich 140 von hoher Affinität, trennt sich aber vom Bereich 130 von geringer Affinität. Die Tinte wird in relativer Weise in Richtung zum Innern der Düse 11 gedrückt, wo ständig am signifikanten Punkt, d. h. in einem konstanten Abstand vom Diskontinuitätspunkt der Affinität (d. h. die Grenzfläche zwischen dem Bereich 140 von hoher Affinität und dem Bereich 130 von geringer Affinität), eine Verengung erfolgt (vergl. 36). Nachdem sich die Verengung entwickelt hat, nimmt die Verengung in irreversibler Weise zu, und der Spitzenbereich der Säule der Tinte 6 wird aus der Düse als Flüssigkeitströpfchen 61 abgegeben (vergl. 3C).
Bei Einsatz der erfindungsgemäßen Düsenplatte entwickelt sich der signifikante Punkt immer an einer spezifischen Position, weswegen der Durchmesser der abgegebenen Tintentröpfchen 61 nahezu konstant bleibt. Wenn ferner der Diskontinuitätspunkt zwischen dem Bereich 140 von hoher Affinität und dem Bereich 130 von geringer Affinität in einer Ebene gebildet wird, die parallel zur äußeren Oberfläche der Düsenplatte verläuft, wirkt keine unausgewogene Oberflächenspannung auf die Tintensäule, weswegen die Flüssigkeitströpfchen 61 linear in einer Richtung abgegeben werden, die eine Verlängerung der Düse 11 darstellt.
Herstellungsverfahren
Nachstehend wird eine bevorzugte Ausführungsform für ein Verfahren zur Herstellung des Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfes dieser Ausführungsform unter Bezugnahme auf 4 beschrieben.
Verfahren zur Herstellung der Düsenplatte: Eine Platte aus rostfreiem Stahl mit einer Dicke von 100 μm oder dergl. (gemäß JIS-Standard (SUS)) wird als Basis 110 verwendet. In diese Platte wird auf herkömmliche Weise eine Düse mit einem Durchmesser von 20-40 μm gebohrt. Das Ende der Düse 11 mit dem kleineren Durchmesser wird an die äußere Oberfläche 12 der Düsenplatte 1 gebracht. Die äußere Oberfläche der Düsenplatte wird zum Auftragen eines Films zur Modifikation der Oberfläche geglättet. Die Oberflächenrauhigkeit der äußeren Oberfläche wird in einer Größenordnung von 100 Å, angegeben als Mittellinien-Durchschnittshöhe, eingestellt.
Verfahren zur Bildung einer Metallschicht: Eine Metallschicht wird auf der inneren Oberfläche 13, auf der äußeren Oberfläche 12 und auf der Strömungswegoberfläche 14 der Basis 110 ausgebildet. Es wird beispielsweise eine Metallschicht mit einer Dicke von 500-2000 Å durch Vakuumzerstäuben oder Ionenplattieren gebildet. Wenn eine Zwischenschicht unter der Metallschicht auszubilden ist, wird beispielsweise Cr in einer Dicke von 100-300 Å entweder durch Vakuumzerstäuben oder Ionenplattieren als Zwischenschicht aufgebracht.
Verfahren zur Bildung eines Films zur Modifikation der inneren Oberfläche (vergl. 4A): Ein Affinitätsfilm 150, d. h. ein Film zur Modifikation der Oberfläche, wird auf der inneren Oberfläche 13 der Düsenplatte 1 ausgebildet. Zunächst wird ein Maskierungsstab 7 mit einer Größe, die genau in die Düse 11 passt, in die Düse 11 eingeführt, wobei nur der Bereich, wo der Bereich 150 von hoher Affinität zu bilden ist, freiliegt. Obgleich es in der Zeichnung nicht dargestellt ist, kann eine Maske auf die gesamte Oberfläche der äußeren Oberflache 12 der Düsenplatte aufgelegt werden. Anschließend wird eine Thiolverbindung aus den vorstehend aufgeführten Zusammensetzungen ausgewählt, um das Thiolat im Bereich 150 von hoher Affinität auszubilden. Es wird eine Lösung verwendet, in der diese Thiolverbindung in einem organischen Lösungsmittel, wie Ethanol oder Isopropylalkohol, gelöst ist. Anschließend wird eine Seite der Düsenplatte, auf der die Metallschicht ausgebildet ist, in diese Lösung getaucht. Folgende Eintauchbedingungen werden eingehalten: Konzentration der Lösung 0,01 mM, Lösungstemperatur von Raumtemperatur bis 50 °C oder dergl. und Eintauchzeit von 5 Minuten bis 30 Minuten oder dergl. Die Lösung wird während des Eintauchvorgangs entweder gerührt oder im Kreislauf geführt, um die Schicht aus der Thiolverbindung in gleichmäßiger Weise zu bilden.
Wenn die Reinheit der Metalloberfläche gewährleistet werden kann, zeigen die Thiolmoleküle eine Selbstaggregation unter Bildung eines molekularen Films, weswegen keine strenge Kontrolle der Bedingungen erforderlich ist. Bei Beendigung der Eintauchzeit hat sich ein molekularer Film aus Thiolmolekülen, die eine starke Haftung zeigen, nur an der Oberfläche des Metalls gebildet.
Anschließend wird die flüssige Lösung an der Oberfläche der Düsenplatte durch Waschen entfernt. Thiolmoleküle, die an Nichtmetallbereichen haften, werden nicht kovalent gebunden, so dass sie sich leicht durch Waschen, z. B. durch Spülen mit Ethylalkohol, entfernen lassen.
Verfahren zur Bildung eines Bereiches von hoher Affinität auf der Strömungswegoberfläche (vergl. 4B): Bei diesem Vorgang wird der Bereich 140 von hoher Affinität auf der Strömungswegoberfläche 14 gebildet. Der vorstehend erwähnte Maskierungsstab 7 wird soweit zurückgezogen, dass der Bereich, wo der Bereich 140 von hoher Affinität zu bilden ist, exponiert ist. Anschließend wird die Thiolverbindung (z. B. HO₂C(CH₂)_nSH oder HO(CH₂)_n SH und dergl.) zur Bildung des Thiolats im Bereich 140 von hoher Affinität ausgewählt, und es wird eine Lösung verwendet, in der diese Thiolverbindung in einem organischen Lösungsmittel, wie Ethanol oder Isopropylalkohol, gelöst ist. Das Eintauchen und Waschen werden wie beim vorstehend beschriebenen Verfahren durchgeführt.
Bei diesem Verfahren wird der Bereich 140 von hoher Affinität in dem Bereich gebildet, wo das Metall exponiert ist. Der Bereich 150, in dem der selbstaggregierende molekulare Film bereits gebildet worden ist, zeigt selbst dann, wenn er weiter in die Lösung mit einem Gehalt an einer Thiolverbindung eingetaucht wird, keine Veränderung der Filmzusammensetzung oder des Filmwachstums, weswegen keine Maßnahmen, wie Verwendung einer Maske, in diesem Bereich erforderlich sind.
Verfahren zur Bildung eines Bereiches von geringer Affinität auf der Strömungswegoberfläche (vergl. 4C): Bei diesem Verfahren wird der Bereich 130 von geringer Affinität auf der Strömungswegoberfläche 14 gebildet. Der vorerwähnte Maskierungsstab 7 wird soweit zurückgezogen, bis der Bereich, wo der Bereich 130 von geringer Affinität zu bilden ist, exponiert ist. Wenn eine Maske auf der äußeren Oberfläche 12 der Düsenplatte eingesetzt wird, kann der Maskierungsstab vollkommen entfernt werden. Anschließend wird eine Thiolverbindung (wie CF₃(CF₂)_m(CH₂)_nSH und dergl.) zur Bildung des Thiolats im Bereich 130 von geringer Affinität ausgewählt, und eine Lösung wird verwendet, in der diese Thiolverbindung in einem organischen Lösungsmittel, wie Ethanol oder Isopropylalkohol, gelöst ist. Das Eintauchen und Waschen werden wie beim vorstehend beschriebenen Verfahren durchgeführt.
Bei diesem Verfahren wird ein Bereich 130 von geringer Affinität in dem Bereich gebildet, wo das Metall exponiert ist. Die Bereiche 150 und 140, wo die selbstaggregierenden molekularen Filme bereits gebildet worden sind, weisen selbst dann, wenn sie weiter in die Lösung mit einem Gehalt an einer Thiolverbindung getaucht werden, keine Veränderung der Filmzusammensetzung oder des Filmwachstums auf, weswegen keine Maßnahmen, Z. B. der Einsatz einer Maske, in diesen Bereichen erforderlich sind.
Verfahren zur Bildung eines Bereiches von geringer Affinität auf der äußeren Oberfläche (vergl. 4D): Bei diesem Verfahren wird ein Bereich 120 von geringer Affinität auf der äußeren Oberfläche 12 der Düsenplatte gebildet. Sämtliche Masken werden entfernt und die äußere Oberfläche 12 der Dosenplatte wird exponiert. Anschließend wird eine Thiolverbindung zur Bildung des Thiolats in diesem Bereich 120 von geringer Affinität ausgewählt und eine Lösung wird verwendet, in der diese Thiolverbindung in einem organischen Lösungsmittel, wie Ethanol oder Isopropylalkohol, gelöst ist. Das Eintauchen und Waschen werden wie beim vorstehend beschriebenen Verfahren durchgeführt.
Bei diesem Verfahren wird der Bereich 120 von geringer Affinität auf der äußeren Oberfläche 12 der Düsenplatte gebildet. Die Regionen 150, 140 und 130, wo die selbstaggregierenden molekularen Filme bereits gebildet worden sind, zeigen selbst bei weiterem Eintauchen in die Lösung mit einem Gehalt an einer Thiolverbindung keine Veränderung der Filmzusammensetzung oder des Filmwachstums, weswegen keine Maßnahmen, wie Verwendung einer Maske, in diesen Bereichen erforderlich sind.
Gemäß dieser Ausführungsform wird auf der äußeren Oberflächenseite der Düsenplatte ein Bereich gebildet, der eine relativ geringe Affinität für die Tinte aufweist, und es wird ein Bereich auf der inneren Oberflächenseite der Düsenplatte gebildet, der eine relativ hohe Affinität für die Tinte aufweist. Deswegen entwickelt sich eine Verengung des Tintentröpfchens ab dem Diskontinuitätspunkt zwischen den beiden Bereichen und die Tinte trennt sich in einem vorgegebenen Abstand davon und führt zu einem Tintentröpfchen mit einem bestimmten Durchmesser.
Demzufolge kann erreicht werden, dass der signifikante Punkt zur Erzeugung des Tintentröpfchens in stabiler Weise auftritt, weswegen der Durchmesser der abgegebenen Tintentröpfchen stabilisiert werden kann. Ferner wird die Linearität des Vorschubs der Flüssigkeitströpfchen nicht durch eine einseitige Oberflächenspannung beeinträchtigt, wenn die Tinte abgegeben wird. Somit lässt sich die Druckqualität im Drucker verbessern. Durch Austausch der Tinte gegen eine Flüssigkeit für industrielle Anwendungen kann ferner dieser Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf bei industriellen Anwendungen eingesetzt werden.
Ausführungsform 2
Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft eine Konfiguration, bei der in der Düse der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform der Flüssigkeitswiderstand im Strömungsweg verringert werden kann.
Konfiguration
6 ist eine Querschnittansicht einer Düsenplatte 1b der zweiten Ausführungsform. Diese Düsenplatte 1b weist eine Mehrzahl von Bereichen 141-14n (wobei n eine natürliche Zahl mit einem Wert von 2 oder mehr bedeutet) auf, die unterschiedliche Affinitäten für die in dem Bereich verwendete Tinte aufweisen, wobei der Bereich 140 von hoher Affinität wie bei der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform gebildet wird. Auf der Strömungswegoberfläche 14 werden der Bereich 130 von geringer Affinität, der eine relativ geringe Affinität für die Tinte aufweist, der Bereich 120 von geringer Affinität auf der äußeren Oberfläche und der Bereich 150 von hoher Affinität auf der inneren Oberfläche auf die gleiche Weise wie bei der ersten Ausführungsform ausgebildet, so dass hier eine weitere Beschreibung unterbleibt.
Ferner ist es zulässig, die Affinitätsbereiche 141-14n bis zum Rand der äußeren Oberfläche 12 neben der Düse 11 zu erweitern, ohne den Bereich 130 von geringer Affinität zu bilden (dies stellt den Fall dar, bei dem die Länge x2 des Bereiches 130 von geringer Affinität in Richtung des Strömungswegs 0 beträgt).
Jeder der mehreren Affinitätsbereiche 141-14n wird so eingestellt, dass die Bereiche voneinander unterschiedliche Affinitätsgrade aufweisen. Wenn diese Affinitätsgrade der Affinitätsbereiche 141-14n durch N1-Nn wiedergegeben werden, so werden sie so eingestellt, dass folgende Beziehung gilt: N1 > N2 > N3 > ... > Nn - 1 > Nn (1).
Es ist erstrebenswert, dass die mehreren Affinitätsbereiche 141-14n durch selbstaggregierende molekulare Filme wie bei der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform gebildet werden. Die Zusammensetzungen der Schwefelverbindungen, die bei der Bildung der selbstaggregierenden molekularen Filme verwendet werden, sind in der nachstehenden Tabelle 1 für den Fall angegeben, dass die Anzahl der Affinitätsbereiche 4 beträgt (n = 4). Tabelle 1

Affinitätsregion Zusammensetzung der Schwefelverbindung

141 HO(CH₂)₁₁SH

142 H₃CO(CH₂)₁₁SH

143 H₃C(CH₂)₁₇SH

144 F(CF₂)₁₀(CH₂)₁₁SH
Das Verfahren zur Herstellung der Affinitätsbereiche in der Düse 11 entspricht dem Verfahren der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform. Speziell wird unter Bezugnahme auf 4 bei der Herstellung der Affinitätsbereiche 141-14n der Maskierungsstab 7 zurückgezogen, so dass nur der Bereich, wo das Thiolat neu zu bilden ist, exponiert ist. Jedes Mal, wenn dies erfolgt, wird die Düsenplatte in eine Lösung getaucht, in der ein unterschiedlicher Typ einer Schwefelverbindung gelöst ist. Dieses Verfahren wird sooft wiederholt, wie es der Anzahl der zu bildenden Affinitätsregionen entspricht. Die Längen y21-y2n der mehreren Affinitätsbereiche 141-14n entlang der Verlängerungslinie der Düse 11 müssen nur jeweils etwa 1 μm oder dergl. betragen.
Um jeden Affinitätsbereich auf den angestrebten Affinitätsgrad einzustellen, ist es ferner zulässig, anstelle der Veränderung der Zusammensetzungen der bei der Bildung der einzelnen Bereiche verwendeten Schwefelverbindungen gemäß den vorstehenden Ausführungen, die Anpassungen durch Veränderungen des Musters vorzunehmen. Dies bedeutet, dass unter Verwendung der gleichen Zusammensetzung der Schwefelverbindung der Bereich in jedem der Affinitätsbereiche, wo das Thiolat gebildet wird, mit einem unterschiedlichen Muster ausgestaltet wird und die Molekularfilm-Kontaktoberfläche von Affinitätsbereich zu Affinitätsbereich verändert wird. Wenn die Affinitätsbereiche auf diese Weise konfiguriert werden, kann der Affinitätsgrad in jedem Affinitätsbereich entsprechend dem Unterschied im Flächenverhältnis zwischen dem Bereich, wo der Molekularfilm eingesetzt wird, und dem Bereich, wo der Molekularfilm nicht eingesetzt wird, verändert werden. Ferner ist es zulässig, eine Bemusterung unter Bildung eines Affinitätsbereiches einzusetzen, wobei sich der Affinitätsgrad kontinuierlich verändert. Anstelle einer Trennung der Affinitätsbereiche 141-14n gemäß den vorstehenden Ausführungen wird mit anderen Worten ein kontinuierliches Muster (z. B. ein spiralförmiges Muster) verwendet und der Bereich wird so gebildet, dass sich das Verhältnis des vom Muster besetzten Bereiches allmählich verändert. Wenn eine derartige Konfiguration anstelle einer stufenweisen Veränderung der Affinität in der Strömungswegrichtung angewandt wird, ändert sich der Affinitätsgrad kontinuierlich.
Wirkung
Auf der Grundlage dieser Konfiguration steigt dann, wenn die Tinte vom stromaufwärtigen Ende zum stromabwärtigen Ende der Düse 11 strömt, der Affinitätsgrad allmählich an. Nachdem die Tinte in den Strömungsweg der Düse 11 gelangt ist, wirkt die Oberflächenspannung stark in dem oder den Bereichen von hoher Affinität, weswegen die Tinte in den oder die stromabwärtigen Affinitätsbereiche mit hoher Affinität gezogen wird. Mit anderen Worten, es ergibt sich eine Einwirkung auf die Tinte, die in die Düse 11 eingetreten ist, durch Kräfte, die die Tinte je nach dem Affinitätsgrad für die Tinte dazu veranlassen, aus dem Affinitätsbereich 14n, der eine relativ geringe Affinität aufweist, zum Affinitätsbereich 141, der eine relativ hohe Affinität aufweist, zu wandern. Somit bewegt sich die Tinte spontan durch den Innenraum des Strömungswegs. Wenn daher Druck durch das piezoelektrische Element ausgeübt wird, bewegt sich die Tinte durch den Innenraum der Düse schneller als in einer herkömmlichen Düse. Dies bedeutet, dass der Strömungswegwiderstand der durch die Düse 11 fließenden Tinte verringert worden ist. Aufgrund dieses Sachverhalts kann die Tinte unter geringer Belastung des piezoelektrischen Elements 4 in den Strömungsweg geführt werden, so dass die gleiche Menge an Tintentröpfchen mit geringerer Kraft abgegeben werden kann.
Je höher die Geschwindigkeit der Flüssigkeit ist, desto deutlicher wird der signifikante Punkt zur Trennung der Flüssigkeitströpfchen erzeugt. Wenn ein Bereich 130 von geringer Affinität, wie er bei der ersten Ausführungsform beschrieben worden ist, stromabwärts im Strömungsweg platziert wird, um einen Diskontinuitätspunkt bereitzustellen, an dem sich der Affinitätsgrad rasch verändert, trennt sich die Tinte, die sich unter geringem Strömungswegwiderstand rasch bewegt, von der Strömungswegoberfläche im Bereich 130 von geringer Affinität und es entsteht ein signifikanter Punkt. Aufgrund dieses Sachverhalts ist es möglich, einen signifikanten Punkt zur Erzeugung von Flüssigkeitströpfchen in stabiler Weise zu schaffen, so dass der Durchmesser der Flüssigkeitströpfchen stabilisiert wird und die Linearität des Vorschubs der abgegebenen Tintentröpfchen gewährleistet wird.
Bei der vorstehend beschriebenen zweiten Ausführungsform wird ein Affinitätsbereich in der Weise bereitgestellt, dass sich der Affinitätsgrad in Richtung des Tintenstroms verändert, was es ermöglicht, den Strömungswegwiderstand der Tinte im Strömungsweg zu senken, so dass die Tinte unter geringer Belastung abgegeben werden kann.
Wenn ein Diskontinuitätspunkt im Grad der Affinität bei der ersten Ausführungsform gebildet wird, kann außerdem ein signifikanter Punkt zur Erzeugung von Tintentröpfchen in stabiler Weise geschaffen werden, der Tintentröpfchendurchmesser kann stabilisiert werden und die Linearität des Vorschubs der abgegebenen Tintentröpfchen kann gewährleistet werden. Aufgrund dieses Sachverhalts lässt sich die Druckqualität des Druckers verbessern. Bei Austausch der Tinte gegen eine Flüssigkeit für industrielle Anwendungen kann außerdem dieser Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf bei industriellen Anwendungen eingesetzt werden.
Ausführungsform 3
Eine dritte Ausführungsform betrifft eine Konfiguration, bei der in der Düse der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform der Affinitätsgrad im Strömungsweg sich dynamisch verändert.
Konfiguration
7 ist eine Querschnittansicht einer Düsenplatte 1c der dritten Ausführungsform. Anstelle des Bereiches 130 von geringer Affinität in der ersten Ausführungsform umfasst diese Düsenplatte 1c einen Affinitätsbereich 131, in dem der Affinitätsgrad für die Tinte dynamisch verändert werden kann. Ein Bereich 120 von geringer Affinität weist eine relativ geringe Affinität für die Tinte auf und Bereiche 140 und 150 von hoher Affinität weisen eine relativ hohe Affinität für die Tinte auf. Bei diesen Bereichen handelt es sich um die gleichen Bereiche wie bei der ersten Ausführungsform, so dass sie hier nicht weiter beschrieben werden.
Die Düsenplatte 1c umfasst ferner Elektroden 201 und 202 auf der Rückseite des Affinitätsbereiches 131 in der Basis 110 und eine Steuerschaltung 203 ist vorgesehen, um Spannungen an diese beiden Elektroden anzulegen. Die Steuerschaltung 203 ist so konfiguriert, dass sie Steuersignale ausgeben kann, die die gleichen Spannungsänderungen wie die an das piezoelektrische Element 4 angelegten Steuerimpulse anzeigen. Jedoch sind im Hinblick auf die Verzögerung von dem Zeitpunkt, an dem das piezoelektrische Element eine Volumenänderung aufweist, bis zu dem Zeitpunkt, an dem die Tinte in die Düse 11 gelangt, die Steuersignale verzögert, um die Steuerimpulse entsprechend zu verzögern.
Der Affinitätsbereich 131 ist aus einem Material gefertigt, bei dem sich die Affinität für die Tinte in Reaktion auf ein elektrisches Feld verändert. Dieses Material muss so beschaffen sein, dass beispielsweise, wie in 8 dargestellt, der Affinitätsgrad sich durch das Steuersignal SD verändert (gestrichelte Linie). Bei der zeitlichen Beziehung zwischen dem Steuersignal und den Veränderungen des Affinitätsgrads handelt es sich um eine empirische Beziehung, da sie sich entsprechend dem Betrag der vorerwähnten Verzögerung verändert. Die Charakteristik der Veränderung des Affinitätsgrads ist nicht notwendigerweise auf die in 8 dargestellte Charakteristik beschränkt, sie kann vielmehr gemäß den tatsächlichen Anwendungen in verschiedener Weise modifiziert werden.
Bei dieser Ausführungsform wird eine Zusammensetzung verwendet, bei der sich der Affinitätsgrad durch ein elektrisches Feld verändert. Jedoch kann der Affinitätsbereich auch durch Variation einer anderen physikalischen Größe, z. B. des Magnetfelds oder der Wärme, die auf den Affinitätsbereich 131 einwirken, gesteuert werden.
Wirkung
Wie bei der vorstehend beschriebenen Konfiguration ist es möglich, den Affinitätsgrad des Affinitätsbereiches dynamisch zu verändern, so dass die erzielte Wirkung den dynamischen Veränderungen des Affinitätsgrads entspricht. Wenn der Affinitätsgrad im Affinitätsbereich 131 mit einer ähnlichen Charakteristik, wie sie beispielsweise in 8 dargestellt ist, variiert wird, erreicht die Tinte die Grenzfläche zwischen dem Bereich 140 von hoher Affinität und dem Affinitätsbereich 131 nahe am Zeitpunkt t0 und der signifikante Punkt tritt zum Zeitpunkt t1 auf. Wenn der signifikante Punkt auftritt, wird die Verengung in der Tintensäule starker. Wenn die Affinität im zeitlichen Verlauf im Affinitätsbereich 131 ansteigt, haftet die Tinte allmählich auch am Affinitätsbereich 131, was das Wachstum der Verengung beschleunigt. Zum Zeitpunkt t2 trennt sich die Tinte am signifikanten Punkt und wird zu einem Flüssigkeitströpfchen. Wenn anschließend zum Zeitpunkt t3 der Affinitätsbereich 131 wieder eine solche Beschaffenheit annimmt, dass er keine Affinität mehr aufweist, kehrt die Tinte, die vorher am Affinitätsbereich 131 haftete, zur Grenzfläche zwischen dem Bereich 140 von hoher Affinität und dem Affinitätsbereich 131 zurück. Durch dynamische Variation des Affinitätsgrads für die Tinte im Affinitätsbereich lassen sich Tintentröpfchen rascher trennen und Verengungen lassen sich in stabiler Weise an einem spezifischen signifikanten Punkt erzeugen.
Durch Anwendung dieser dritten Ausführungsform werden Mittel zur Affinitätskontrolle bereitgestellt, die in dynamischer Weise den Affinitätsgrad für die Tinte verändern, wodurch es möglich wird, in stabiler Weise signifikante Punkte zur Erzeugung von Flüssigkeitströpfchen zu erzeugen und die Flüssigkeitströpfchen rasch zu trennen. Somit kann die Menge der abgegebenen Tintentröpfchen in noch konstanterer Weise stabilisiert werden.
Weitere Modifikationen
Die vorliegende Erfindung kann in verschiedenen modifizierten Formen, die von den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen abweichen, angewandt werden. Beispielsweise wird zwar Tinte (wässrige Tinte) als Flüssigkeit in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet; wenn ein Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf aber bei einer industriellen Anwendung eingesetzt wird, können andere Lösungen, Lösungsmittel und Flüssigkeiten anstelle von Tinte verwendet werden, unabhängig davon, ob sie eine wässrige oder ölige Beschaffenheit aufweisen. Diesen Flüssigkeiten könnten auch Gemische in kolloidaler Form zugemischt werden. Wenn ein organisches Lösungsmittel als Flüssigkeit verwendet wird, wirkt der selbstaggregierende molekulare Film der Schwefelverbindung mit einem Gehalt an einer Alkyl-Grundlage als Bereich von hoher Affinität, während der selbstaggregierende molekulare Film aus der Schwefelverbindung mit einem Gehalt an einer OH- oder CO₂H-Gruppe als Bereich von geringer Affinität wirkt. Somit ist es bei der Konfiguration der Affinitätsbereiche lediglich erforderlich, die zur Bildung des Thiolats verwendete Schwefelverbindung entsprechend der verwendeten Flüssigkeit abzuändern.
Gewerbliche Verwertbarkeit
Bei der erfindungsgemäßen Flüssigkeitsstrahlstruktur wird ein Diskontinuitätspunkt bereitgestellt, wo sich der Grad der Affinität sehr rasch ändert, weswegen eine Trennung von Flüssigkeitströpfchen an einem bestimmten Ort innerhalb der Düse möglich wird. Aus diesem Grund ist es möglich, in stabiler Weise signifikante Punkte zur Erzeugung von Flüssigkeitströpfchen zu bilden, den Durchmesser der Flüssigkeitströpfchen zu stabilisieren und die Linearität des Vorschubs der ausgestoßenen Flüssigkeitströpfchen sicherzustellen. Demzufolge ist es bei Druckeranwendungen möglich, die Druckqualität zu verbessern, und bei industriellen Anwendungen ist es möglich, eine qualitativ hochwertige Musterbildung und dergl. zu erreichen.
Die erfindungsgemäße Flüssigkeitsstrahlstruktur umfasst eine Konfiguration, mit der sich der Fließwiderstand der Flüssigkeit im Innern der Düse verringern lässt, weswegen die Flüssigkeit unter geringer Belastung ausgestoßen werden kann.
Die erfindungsgemäße Flüssigkeitsstrahlstruktur umfasst ferner eine Konfiguration, mit der es möglich ist, dynamisch die Affinität für eine Flüssigkeit an der Innenseite der Düse zu verändern, weswegen es möglich wird, in stabiler Weise signifikante Punkte zur Erzeugung von Flüssigkeitströpfchen zu bilden, den Durchmesser der Flüssigkeitströpfchen zu stabilisieren und die Linearität des Vorschubs der ausgestoßenen Flüssigkeitströpfchen sicherzustellen.

Claims

Flüssigkeitsstrahlstruktur, umfassend: eine Düse (11) oder Düsen (11) zum Ausstoßen einer Flüssigkeit, wobei: die Düse (11) oder Düsen (11) einen Strömungsweg oder Strömungswege umfassen, wobei der Grad der Affinität für die auszustoßende Flüssigkeit so eingestellt ist, dass er entlang der Richtung des Flüssigkeitsstroms unterschiedlich ist, wobei dieser Flüssigkeitsweg oder Flüssigkeitswege einen Bereich (130) von geringer Affinität, wo eine relativ niedrige Affinität eingestellt ist, und einen Bereich (140) von hoher Affinität, wo eine relativ hohe Affinität eingestellt ist, aufweisen, wobei der Strömungsweg durch einen molekularen Film gebildet wird, der als Thiolat vorliegt, wobei eine vorgegebene Schwefelverbindung auf einer Metalloberfläche koaguliert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (130) von geringer Affinität durch ein Thiolat gebildet wird, das eine geringe Affinität für die Flüssigkeit aufweist, und der Bereich (140) von hoher Affinität durch ein Thiolat gebildet wird, das eine hohe Affinität für die Flüssigkeit aufweist.
Flüssigkeitsstrahlstruktur nach Anspruch 1, bei der es sich bei der Schwefelverbindung um eine Thiolverbindung der chemischen Formel R-SH handelt, wobei R eine Kohlenwasserstoffgruppe bedeutet.
Flüssigkeitsstrahlstruktur nach Anspruch 2, bei der dann, wenn n, m, p und q beliebige natürliche Zahlen bedeuten und X und Y vorgegebene Elemente bedeuten, R durch eine der folgenden Formeln wiedergegeben wird, d. h. durch C_nH_2n+1-, C_nF_2n+1-, CF₂₊₁-C_mH_2m, C_nF_2n+1-(CH₂)_m-X-C≡C-C≡C-Y-(CH₂)_p- HO₂C(CH₂)_n-, HO(CH₂)_n-, NC(CH₂)_n-, H_2n+1C_n-O₂C-(CH₂)_m-, H₃CO(CH₂)_n-, X(CH₂)_n- (wobei X ein Halogenelement, wie Br, Cl oder I und dergl. bedeutet), H₂C=CH(CH₂)n-, H₃C(CH₂)_n- oder C_nF_2n+1-(CH₂)_m-(NHCO-CH₂)_p-(CH₂)_q-.
Flüssigkeitsstrahlstruktur nach Anspruch 1, bei der es sich bei der Schwefelverbindung um ein Gemisch von Thiolmolekülen handelt, die durch sich gegenseitig unterscheidende chemische Strukturformeln R¹-SH und R²-SH gebildet sind, wobei R¹ und R² unterschiedliche Kohlenwasserstoffgruppen bedeuten.
Flüssigkeitsstrahlstruktur nach Anspruch 4, bei der R¹ und R² durch eine der folgenden chemischen Strukturformeln wiedergegeben werden, d. h. durch C_nF_2n ₊₁- oder C_nF_2n+1-C_mH_2m-.
Flüssigkeitsstrahlstruktur nach Anspruch 1, bei der es sich bei der Schwefelverbindung um eine Thiolverbindung der chemischen Strukturformel HS-R³-SH handelt, wobei R³ eine vorgegebene Kohlenwasserstoffgruppe bedeutet.
Flüssigkeitsstrahlstruktur nach Anspruch 6, bei der R³ durch eine der folgenden chemischen Strukturformeln wiedergegeben wird, d. h. durch
Flüssigkeitsstrahlstruktur nach Anspruch 1, wobei in der Schwefelverbindung eine Thiolverbindung der chemischen Strukturformel R⁴-S-S-R⁴, wobei R⁴ eine vorgegebene Kohlenwasserstoffgruppe bedeutet, entweder partiell oder vollständig gebildet wird.
Flüssigkeitsstrahlstruktur nach Anspruch 8, bei der dann, wenn n, m, p und q beliebige natürliche Zahlen bedeuten und X und Y vorgegebene Elemente bedeuten, R⁴ durch eine der folgenden chemischen Strukturformeln wiedergegeben wird, d. h. durch C_nH_2n+1-, C_nF_2n+1-, C_nF_2n+1-C_mH_2m-, C_nF_2n+1-(CH₂)_m-X-C≡C-C≡C-Y-(CH₂)_p- HO₂C(CH₂)_n-, HO(CH₂)_n-, NC(CH₂)_n-, H_2n+1C_n-O₂C-(CH₂)_m-, H₃CO(CH₂)_n-, X(CH₂)_n- (wobei X ein Halogenelement, wie Br, Cl oder I und dergl. bedeutet), H₂C=CH(CH₂)_n-, H₃C(CH₂)_n- oder C_nF_2n+1-(CH₂)_m-(NHCO-CH₂)_p-(CH₂)_q-.
Flüssigkeitsstrahlstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der der Strömungsweg mit einem Diskontinuitätspunkt versehen ist, wo der Grad der Affinität für die Flüssigkeit vom stromaufwärtigen Ende in Richtung zum stromabwärtigen Ende plötzlich abfällt.
Flüssigkeitsstrahlstruktur, umfassend: eine Düse (11) oder Düsen (11) zum Ausstoßen einer Flüssigkeit, wobei: die Düse (11) oder Düsen (11) einen Strömungsweg oder Strömungswege umfassen, wobei der Grad der Affinität für die auszustoßende Flüssigkeit so eingestellt ist, dass er entlang der Richtung des Flüssigkeitsstroms unterschiedlich ist, wobei dieser Flüssigkeitsweg oder Flüssigkeitswege einen Bereich (130) von geringer Affinität, wo eine relativ geringe Affinität eingestellt ist, und einen Bereich (140) von hoher Affinität, wo eine relativ hohe Affinität eingestellt ist, aufweisen, wobei die Länge des Bereiches (130) von geringer Affinität in Strömungswegrichtung der Düse oder der Düsen 10 μm oder mehr beträgt.
Flüssigkeitsstrahlstruktur, umfassend: eine Düse (11) oder Düsen (11) zum Ausstoßen einer Flüssigkeit, wobei: die Düse (11) oder Düsen (11) einen Strömungsweg oder Strömungswege umfassen, wobei der Grad der Affinität für die auszustoßende Flüssigkeit so eingestellt ist, dass er entlang der Richtung des Flüssigkeitsstroms unterschiedlich ist, wobei dieser Flüssigkeitsweg oder Flüssigkeitswege einen Bereich (130) von geringer Affinität, wo eine relativ geringe Affinität eingestellt ist, und einen Bereich (140) von hoher Affinität, wo eine relativ hohe Affinität eingestellt ist, aufweisen, wobei im Strömungsweg der Grad der Affinität für die Flüssigkeit so eingestellt ist, dass sie vom stromaufwärtigen Ende in Richtung zum stromabwärtigen Ende allmählich ansteigt.
Flüssigkeitsstrahlstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der der Strömungsweg an seinem stromabwärtigen Ende mit einem Bereich (131) versehen ist, wo der Grad der Affinität für die Flüssigkeit in Reaktion auf Veränderungen einer physikalischen Größe, bei der es sich um Wärme, elektrische Feldstärke oder magnetische Feldstärke handelt, variiert werden kann.
Flüssigkeitsstrahlstruktur nach Anspruch 13, bei der Mittel zum Zuführen einer dieser physikalischen Größen, d. h. Wärme, elektrische Feldstärke oder magnetische Feldstärke, in der Weise vorgesehen sind, dass diese Menge variiert werden kann.
Flüssigkeitsstrahlstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei der die Strahloberfläche des Strömungswegs, aus dem die Flüssigkeit ausgestoßen wird, so eingestellt ist, dass der Grad der Affinität für die Flüssigkeit relativ gering ist.
Flüssigkeitsstrahlstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei der die innere Oberfläche eines Reservoirs zum Zuführen der Flüssigkeit in den Strömungsweg so eingestellt ist, dass der Grad der Affinität für die Flüssigkeit relativ hoch wird.
Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf (101), umfassend: eine Flüssigkeitsstrahlstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 16.
Drucker (100), umfassend: einen Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf (101) nach Anspruch 17.