CH632451A5 - Vorrichtung zur erzeugung mehrerer fluessigkeitstroepfchenstroeme, insbesondere fuer einen tintenstrahldruckkopf. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung mehrerer Flüssigkeitströpfchenströme. Die Erzeugung mehrerer gleichmässiger Flüssigkeitsfäden und Tröpfchen ist beispielsweise in Druckgeräten von Bedeutung, bei-30 spielsweise in Tintenstrahldruckern und dergleichen.

Die Erzeugung gleichmässiger Flüssigkeitsfäden und synchroner Tröpfchen ist besonders bei Tintenstrahldruckern von Nutzen, die mit mehreren Tintenstrahlen arbeiten; ein Beispiel eines solchen Tintenstrahldruckers ist in der US-PS 35 3 739 393 beschrieben. Bei der hier zu beschreibenden Erfindung wird jedoch bei der Verwirklichung des eigentlichen Tröpfchenanregungsabschnitts des Druckers ein völlig anderer Weg beschritten. Allgemein sind in solchen Geräten eine oder mehrere Lochreihen vorgesehen, die eine elek-40 trisch leitende Aufzeichnungsflüssigkeit, beispielsweise eine Tinte auf Wasserbasis aus einem unter Druck stehenden Flüssigkeitsvorratsbehälter empfangen; diese Lochreihen stos-sen die Flüssigkeit dabei in Reihen aus parallelen Strömen oder Strömungsfäden aus, die so angeregt sind, dass gleich-45 mässig grosse Tröpfchen in einem gleichmässigen Abstand von den Löchern erzeugt werden.

Die Tröpfchen werden bei ihrer Bildung selektiv aufgeladen, indem Ladespannungen an Ladeelektroden angelegt werden, die dicht bei den Strömungsfäden an der Stelle anso gebracht sind, an der sie in Tröpfchen aufbrechen. Auf diese Weise aufgeladene Tröpfchen werden von einem elektrischen Feld in einen in geeigneter Weise angebrachten Fänger abgelenkt. Nichtaufgeladene Tröpfchen durchlaufen das elektrische Feld ohne Ablenkung und setzen sich auf einer Bahn 55 ab, die quer zu den Bahnen der Tröpfchen mit relativ hoher Geschwindigkeit bewegt wird.

Die Druckinformation wird auf die Tröpfchen über das Aufladen übertragen. Damit mit dem höchstmöglichen Auflösungsvermögen gedruckt wird, sollten an die Ladeelektro-60 den die Ladesteuerspannungen mit der gleichen Frequenz angelegt werden, mit der auch die Tröpfchen erzeugt werden. Dadurch kann jedes abgelagerte Tröpfchen eine Auflösungszelle bilden, die von den Auflösungszellen aller anderen Tröpfchen verschieden ist. Die Druckinformation kann aus-65 serdem nicht sauber auf die Tröpfchen übertragen werden, wenn nicht jede Ladeelektrode phasengleich mit der Tröpfchenerzeugung am zugehörigen Strömungsfaden aktiviert wird. Ist dies nicht der Fall, ergeben sich teilweise aufgela

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dene Tröpfchen, die den Fänger verfehlen und an falschen Stellen auf der Bahn auftreffen.

Es ist daher erkennbar, dass Tintenstrahldrucker der beschriebenen Art nur mit ihren maximalen Fähigkeiten betrieben werden können, wenn die Tröpfchen aller Ströme synchron mit ihren zugehörigen, der Datenübertragung dienenden Ladeimpulsen erzeugt werden. Dies erfordert wiederum entweder eine Massnahme zur zeitlichen Steuerung der Tropfenerzeugung für jeden einzelnen Strömungsfaden oder eine Steuerung der Tropfenerzeugung in der Weise, dass die Zeit oder die Phase der Tropfenerzeugung vorherbestimmt werden.

Vom Standpunkt der Einfachheit aus, besteht die ideale Lösung darin, Tropfenanregungsstörungen an alle Strömungsfäden mit gemeinsamer Amplitude und exakt synchron anzulegen. Wenn alle Strömungsfäden den gleichen Durchmesser, die gleiche Geschwindigkeit und die gleichen Fliesseigenschaften haben, dann haben sie auch alle die gleiche Länge, so dass sie die Tröpfchen synchron erzeugen. Diese synchrone Tröpfchenerzeugung erleichtert die gewünschte Da-tenphasenverriegelung, da eine Zeitmessung für einen Strömungsfaden gleichbedeutend mit einer Zeitmessung für alle Strömungsfäden ist.

Zur Erzielung einer maximalen Druckqualität ist es wichtig, eine maximale Druckbreite zu erzielen. Damit diese maximale Druckbreite erreicht wird, dürfen in dem gesamten Feld aus Strömungsfäden nur minimale Energieschwankungen auftreten. Diese gleichmässige Energie drückt sich in Form gleichmässiger Strömungsfadenlängen innerhalb des Feldes aus. Zu grosse Energieschwankungen (Strömungs-fadenlängenänderungen) verursachen entweder die Erzeugung von Nebentröpfchen oder ein nichtlineares Verhalten des Strömungsfadens; beide Ergebnisse sind unannehmbare Bedingungen beim Drucken.

In der erwähnten US-PS 3 739 393 erfolgt die Tropfenerzeugung mit Hilfe eines Wanderwellenverfahrens. Dieses Verfahren ist sowohl hinsichtlich der maximalen Druckbreite als auch der Druckqualität eingeschränkt. Nach dieser Patentschrift laufen längs der Lochplatte mehrere Wanderwellen, die die Strömungsfäden bei ihrem Austreten anregen. Die Wellenausbreitung ist jedoch von einer Energiedämpfung begleitet, was eine stetige Verlängerung der Strömungsfäden längs des Feldes zur Folge hat. Die Änderungen der Strömungsfadenlängen werden schliesslich zu gross, und die maximal ausnutzbare Druckbreite wird erreicht. Bei dieser Anordnung erzeugen die verschiedenen Strömungsfäden die Tröpfchen nicht gleichzeitig, sondern es liegt eine bekannte Phasenbeziehung zwischen ihnen vor. Die Anordnung kann in der Theorie mit einem besseren Auflösungsvermögen arbeiten, vorausgesetzt, dass jeder Datenkanal mit einer Phasenschieberschaltung ausgestattet wird, der die Phase der Schaltsteuersignale um einen Wert verschiebt, der eine Anpassung der bekannten Phasenverschiebung in der Tröpfchenerzeugung von Strömungsfaden zu Strömungsfaden ergibt. Diese Lösung erfordert eine umfangreiche Elektronik; sie ist in der Praxis schwierig zu verwirklichen, da unvorhersagbare Änderungen der Plattenwellenlänge (und somit Phasenfehler) vorliegen, die von ungleichmässigen Lochplattengrenzen verursacht werden. Selbst wenn eine solche Synchronisierung erreicht wird, kann die beste Druckqualität noch nicht erreicht werden, weil die Wanderwellenanregung eine schräg verlaufende Tröpfchenmatrix erzeugt und Tröpfchen in einer nicht horizontal verlaufenden Reihe nicht gleichzeitig druk-ken. Es liegt eine lineare Zeitverzögerung längs der Reihe der Tröpfchen vor. Für jede volle Wellenlänge der Biegeschwin-gungswelle in Richtung der Längsachse der Lochplatte wird eine Zeitdifferenz von einer Periode beobachtet. Zur Verringerung der Schwierigkeiten der Phasenverschiebung wurden bisher mehrere Tröpfchen zum Drucken eines einzigen Punkts benutzt. Dies geht jedoch auf Kosten der Druckgeschwindigkeit und der Druckqualität. Es ist auch eine Erklärung dafür, warum die Druckqualität zunimmt, wenn die Druckgeschwindigkeit herabgesetzt wird.

Es ist versucht worden, die beiden aus der Wanderwellenanregung resultierenden Einschränkungen dadurch zu überwinden, dass die Flüssigkeit im Vorratsbehälter in Schwingungen versetzt wurde und die Lochplatte starr gehalten wurde. Dabei werden ein oder mehrere Wandler benutzt, die durch die Flüssigkeit mit den Löchern gekoppelt sind, so dass die Erzeugung des gleichmässigen Strömungsfadens und der synchronen Tröpfchen dadurch bewirkt wird, dass die Wellen innerhalb der Druckflüssigkeit selbst erzeugt werden. Bisher bekannte Vorrichtungen dieser Art ergaben nicht die beabsichtigten Resultate, was in erster Linie darauf zurückzuführen war, dass es nicht möglich war, die Erzeugung von Störungen durch reflektierte Wellen und dergleichen mit den Hauptwellen zu verhindern. Dies führt zu einer beträchtlichen Herabsetzung der Gleichmässigkeit der Tröpfchenerzeugung, so dass solche Systeme in der Praxis nicht durchführbar waren.

Ziel der Erfindung ist, die oben beschriebenen Schwierigkeiten und Nachteile bekannter Vorrichtungen zu beseitigen.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruches 1 gekennzeichnet.

Im Falle piezoelektrischer Wandler, die die bevorzugte Wandlerform für die Verwendung in der nach der Erfindung ausgebildeten Vorrichtung sind, können in jeder Wandleranordnung ein Vielfach-Paar oder gleichgeformte Wandler verwendet werden, wobei ein Wandler über dem anderen mit einer dazwischengefügten Befestigungsplatte angebracht sein kann, die vorzugsweise auch als eine Elektrode für die Wandler wirkt. Es ist bekannt, dass Wandler eine bestimmte Polarität besitzen, so dass aus diesem Grund die einzelnen Wandler in den Wandleranordnungen vorzugsweise so angeordnet sind, dass ihre Vorderflächen, die in Kontakt mit gegenüberliegenden Seiten der Befestigungsplatte stehen, das gleiche Potential aufweisen, während auch die Aussenflächen jedes Wandlers das gleiche Potential aufweisen, das jedoch zum Potential der angrenzenden Flächen entgegengesetzt ist.

Die Verwendung von zwei gleichgeformten piezoelektrischen Wandlern, die in dieser Ausführung angeordnet sind, hat drei Vorteie. Der erste Vorteil ist darin zu sehen, dass die Anbringung der auf gleichem Potential liegenden Flächen in der oben beschriebenen Weise ermöglicht, die Wandler an Masse zu legen, so dass jemand, der die Wandler oder den Verteileranschluss berührt, keinen elektrischen Schlag erhält. Ein zweiter Vorteil, der bezüglich des Arbeitens dieser Ausführung von grösserer Bedeutung ist, besteht darin, dass die Wandler auf die Befestigungsplatte gleiche und einander entgegengesetzte Kräfte übertragen, was im wesentlichen darauf hinausläuft, dass die Platte an einem Knotenpunkt des Wandlers befestigt ist, so dass die Möglichkeit der Schwingungsübertragung über die Befestigungsplatte auf den Verteileranschluss auf ein Minimum herabgesetzt wird. Zu einer weiteren Reduzierung von Streuschwingungen ist die Befestigungsplatte zwischen elastische Glieder eingefügt, die auch elektrische Isolatoren zum Isolieren des Verteileranschlusses gegen die Hochspannung sind. Der dritte Vorteil ist der Wirkungsgrad des Wandlers, der aufgrund der Verwendung des Wandlerpaars verdoppelt ist.

Wie oben erwähnt wurde, ist der Kolben im Verteileranschluss beispielsweise mittels eines O-Rings federnd umgeben, der sich um die gesamten Umfangsseitenabschnitte des Kolbens erstreckt und eine Abdichtung zwischen dem Kolben und dem Verteileranschluss bildet, damit ein Ausströmen der Flüssigkeit aus dem Vorratsbehälter verhindert wird.

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Der Kolben kann aus einer relativ steifen Platte mit allgemeinen rechtwinkligem Querschnitt bestehen; die bevorzugte Ausführung hat im unteren Abschnitt im Querschnitt jedoch die Form eines gleichschenkligen Trapezes, das eine Energiekonzentrationsvorrichtung bildet, die sich in den Vorratsbehälter zu einer den Löchern in der Lochplatte benachbarten Stelle erstreckt.

Zur Reduzierung der Erzeugung von Biegewellen längs des Kolbens in der Weise, dass er sich wie ein tatsächlich steifer Körper verhält, sind vorteilhaft auf seiner oberen Fläche Wandler in einem Abstand voneinander angebracht, der kleiner als eine halbe Biegeschwingungswellenlänge im Kolben bei der maximalen Betriebsfrequenz ist.

Zur weiteren Verringerung der Erzeugung solcher Wellen können mehrere in Querrichtung horizontal im Abstand voneinander liegende Vertikal einschnitte wahlweise im Kolben so gebildet sein, dass benachbarte Einschnitte von entgegengesetzten Seiten, d.h. von der Oberseite und der Unterseite, bis zu einem Punkt jenseits der mittleren Schnittebene des Kolbens reichen können, so dass keine Horizontalebene durch den Kolben vorhanden ist, die nicht von wenigstens einigen der Einschnitte unterbrochen ist. Diese Einschnitte wirken als Sperre für die Wellenausbreitung im Kolben, und sie begrenzen die Störwellenbewegung in Längsrichtung zum Kolben auf die Strecke zwischen benachbarten Einschnitten. Die Strecke zwischen Einschnitten ist vorzugsweise wesentlich geringer als die halbe Wellenlänge möglicher Biegeschwingungs-wellen im Kolben bei der Betriebsfrequenz, so dass das Entstehen einer wesentlichen Welle mit störender Amplitude verhindert wird.

Die Länge und die Breite der Wandler sind ebenfalls vorzugsweise auf einen Wert unter der halben Biegeschwingungswellenlänge in der Wandleranordnung bei der maximalen Betriebsfrequenz begrenzt. Dies trägt ebenfalls dazu bei, den Aufbau der Störwelle in den Wandlern zu verhindern.

Die Breite der Lochplatte ist vorzugsweise beträchtlich kleiner als die halbe Biegeschwingungswellenlänge in der Platte bei der maximalen Betriebsfrequenz, so dass mögliche Biegeschwingungswellen in der Lochplatte aufgrund der Grenzfrequenz des elastischen Wellenleiters nicht vorhanden sind. Im Falle einer Hochfrequenzanregung bei der eine praktisch nicht ausführbar schmale Lochplatte erforderlich ist, besteht eine Alternative darin, eine breitere Platte mit guter Schwingungsdämpfung längs des gesamten Plattenrandes zu benutzen.

Mit einer solchen steifen Lochplatte wird der Abstand von der unteren Fläche des Kolbens zur oberen Fläche der Lochplatte weniger kritisch für eine Breitbandanregung (bezüglich des Frequenzbereichs); der Abstand wird von Überlegungen bezüglich des dynamischen Verhaltens der Flüssigkeit bestimmt. Für eine schmalbandige Anregung ist es vorteilhaft, diesen Abstand gleich einer ungeraden Anzahl von Viertelwellenlängen der Flüssigkeitswellen bei der Betriebsfrequenz zu machen, so dass die Lochplatte im wesentlichen eine Knotenebene mit der Schwingungsamplitude 0 ist.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung eines Druckkopfs für einen Tintenstrahldrucker,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer Wandlervorrichtung und eines Abschnitts eines Kolbens in der Ausführungsform von Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt des zusammengefügten Druckkopfs in der Ausführungsform von Fig. 1 und

Fig. 4 eine Seitenansicht des Kolbens und der daran befestigten Wandlervorrichtungen.

Die Grundbestandteile des in Fig. 1 dargestellten Druckkopfs sind mehrere Wandlervorrichtungen 10, ein Kolben 12, ein elastischer O-Ring 14, eine Wandlerhalterung 16, ein Verteileranschlussblock 18 mit einem dazwischen befindlichen 5 abdichtenden O-Ring 20 und eine Lochplatte 22. Die Erfindung betrifft nur den Druckkopf mit den genannten Hauptbestandteilen, so dass weitere Einzelheiten der übrigen Druckvorrichtung hier nicht erläutert werden. Für eine Beschreibung dieser Einzelheiten sei auf die US-PS 3 701 998 ver-I0 wiesen.

Jede Wandlervorrichtung 10 besteht aus einer oberen Masseplatte 24, zwei piezoelektrischen Wandlern 26 und 28, die vorzugsweise im Dickenschwingungsbetrieb arbeitende keramische Wandler sind, einer Befestigungsplatte 30 für die 15 Wandlervorrichtungen, die auch als Elektrode für die Wandler dient, und zwischen die Wandler 26 und 28 eingefügte Befestigungsteile 32, die auch als elektrische Isolatoren wirken. Die Wandlervorrichtung 10 wird dadurch zusammengehalten, dass sie am Kolben 12 mit Hilfe eines Bolzens 34 20 befestigt wird, der sich durch die Wandler Vorrichtung in den Kolben erstreckt. Die Wandler 26 und 28 und die obere Masseplatte 24 haben im wesentlichen die gleichen Abmessungen, und sie sind parallel zueinander vertikal aufeinander ausgerichtet, wie Fig. 2 zeigt, wobei die Breite W im wesentlichen 25 gleich der Breite des Kolbens 12 ist.

Die Breite W und die in Längsrichtung des Kolbens 12 gemessene Länge L sind beide vorzugsweise wesentlich kleiner als eine halbe Biegeschwingungswellenlänge in der Wandlervorrichtung bei der maximalen Betriebsfrequenz, wie oben 30 bereits erwähnt wurde, damit die von stehenden Wellen mit merklicher Amplitude hervorgerufenen Störungen auf ein Minimum verringert werden, die die Hauptwellenausbreitung durch den Kolben beinflussen würden. Der Ausdruck «Biegeschwingungswellen» dient hier der Benennung der Wellen, die 35 versuchen, das Bauteil, auf das Bezug genommen wird, in einer Richtung zu biegen, die quer zur Längsrichtung in der Längenausdehnung des Wandlerfeldes verläuft.

Es sei bemerkt, dass eine halbe Wellenlänge zwar eine wesentliche Richtlinie für die Dimensionierung der Wandler-40 Vorrichtung und auch anderer, noch anzugebender Abstände sein soll, doch ist dies keine absolute Grenze für diese Abmessungen, sondern lediglich eine Richtlinie zur Erzielung einer verringerten Störung aufgrund reflektierter Wellen. Diese Abmessungen haben einen beträchtlichen Einfluss auf den 45 Wirkungsgrad der Anordnung und auf die Qualität der Erzeugung der Strömungsfäden und der Tröpfchen, und vom praktischen Standpunkt aus ist diese Richtlinie zufriedenstellend.

Die Wandler 26 und 28 sind relativ zueinander so ange-50 bracht, dass ihre Polaritäten entgegengesetzt sind. Das heisst in anderen Worten, dass beispielsweise die positiven Anschlussflächen an den entgegengesetzten Seiten der Befestigungsplatte 30 angebracht sind, während die negativen Anschlussflächen mit der oberen Masseplatte 24 bzw. mit der 55 oberen Fläche des Kolbens 12 in Eingriff stehen. Diese Anordnung ergibt eine zusätzliche Sicherheit, indem verhindert wird, dass jemand, der die Wandler während des Betriebs berührt, einen elektrischen Schlag erhält, weil die Wandler an Masse gelegt werden können.

60 Die elastischen Befestigungsteile 32 können aus irgendeinem gewünschten Material bestehen; sie müssen nur eine minimale Dicke haben, solange eine Federwirkung erzielt wird, die ausreicht, eine wesentliche Schwingungsübertragung von der Befestigungsplatte 30 zur Wandlerhalterung 16 zu 65 verhindern und als guter Isolator zu wirken. Dies dient dazu, Wellen daran zu hindern, durch den Verteileranschluss zu laufen und die Tropfenerzeugung in den Löchern zu beeinflussen.

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Die mehreren oberen Masseplatten 24 sollten vorzugsweise aus einem Material mit allgemein höherer akustischer Impedanz als der Kolben hergestellt sein, damit die Kraftübertragung auf die Flüssigkeit verbessert wird.

Der Kolben 12 hat einen allgemein rechtwinkligen oberen Abschnitt mit halbzylindrischen Enden, jedoch ist diese genaue Form nicht wesentlich; die obere Fläche könnte beispielsweise auch vollständig rechtwinklig sein, falls dies erwünscht ist. Der untere Abschnitt des Kolbens 12 hat im Querschnitt die Form eines gleichschenkligen Trapezes mit halbzylindrischen Endabschnitten, die so nach innen gekrümmt sind, dass eine Kegelstumpfform entsteht, wie in Fig. 1 am besten zu erkennen ist. Dieser Abschnitt dient als Energiekonzentrator, der die Anregungswelle auf die Löcher in der Lochplatte 22 fokussiert. Der Kolben 12 besteht vorzugsweise aus einem Material mit relativ niedriger akustischer Impedanz, die an die Impedanz der Flüssigkeit relativ eng angepasst ist, so dass an der Grenzfläche zwischen dem Kolben und der Flüssigkeit eine minimale Reflexion auftritt. Die unteren Abschnitte des Kolbens 12 können natürlich auch eine andere Form haben; beispielsweise kann der gesamte Querschnitt des Kolbens rechtwinklig sein. Der Kolben 12 wird von einem elastisch federnden O-Ring 14 umgeben, der eine Vertikalbewegung des Kolbens 12 zulässt, die auf die in der noch zu beschreibenden Weise erfolgende Anregung der Wandler 26 und 28 zurückzuführen ist. Der O-Ring 14 ergibt eine Abdichtung zwischen den äusseren Umfangsseitenab-schnitten des Kolbens 12 und den angrenzenden Seitenabschnitten der Wände der Wandlerhalterung 16, so dass ein Ausströmen der Flüssigkeit aus dem Verteileranschluss verhindert wird. Der O-Ring 14 hat auch die Wirkung, die Übertragung von Störwellen vom Kolben zu der Wandlerhaltung 16 in der gleichen Weise zu verhindern, wie die federnden Befestigungsteile 32 die Übertragung von Störwellen von der Befestigungsplatte 30 verhindern.

Die Wandlerhalterung 16 und der Verteileranschlussblock 18 sind ebenfalls durch geeignete Mittel, beispielsweise mit Hilfe von Bolzen oder durch Kleben aneinander befestigt; der abdichtende O-Ring 20 verhindert ein Ausströmen der Druckflüssigkeit aus dem Vorratsbehälter zwischen den Oberflächen des Wandlerhalters und des Verteileranschlussblocks.

Im Falle einer Breitbandanregung ist der Abstand von der unteren Fläche des Kolbens zur oberen Fläche der Lochplatte vom Standpunkt der Anregung aus nicht kritisch; er kann so klein sein, wie die dynamischen Eigenschaften der Flüssigkeit zulassen. Bei einer schmalbandigen Anregung sollte der Abstand ein Vielfaches einer geradzahliges Viertelwellenlänge der Flüssigkeitsdruckwellen bei der Betriebsfrequenz sein. Dies gewährleistet, dass die Lochplatte in einer Knotenebene liegt, in der die Schwingungsamplitude im wesentlichen verschwindet.

Die Lochplatte 22 hat einen relativ steifen Aufbau, so dass anders als bei Lochplatten mit Wanderwellenanregung, bei der die Lochplatte selbst vibriert, die hier verwendete Lochplatte steif bleiben soll. Die Lochplatte 22 ist durch Kleben, Löten oder Verschrauben mit einem (nicht dargestellten) Stützrahmen an der unteren Fläche des Verteileranschlussblocks 18 befestigt, so dass sie im wesentlichen steif gehalten wird, wobei die Löcher 36 längs der Lochplatte symmetrisch unterhalb des unteren Abschnitts des Kolbens 12 in einer Linie liegen. Damit die Lochplatte 22 im Bereich des Vorratsbehälters starr bleibt, sind die Innenseitenwände 38 und 40 des Verteileranschlussblocks 18 an ihrer Überschneidungsstelle mit der oberen Fläche der Lochplatte 22 vorzugsweise um eine Strecke voneinander getrennt, die kleiner als eine halbe Biegeschwingungswellenlänge in der Lochplatte bei der maximalen Betriebsfrequenz ist, was wiederum zur

Verringerung der Ausbreitung störender Wellen in der Lochplatte beiträgt.

Nach Fig. 4 soll der Abstand D zwischen benachbarten Wandlervorrichtungen ebenfalls kleiner als eine halbe Biegeschwingungswellenlänge des Kolbens 12 bei der maximalen Betriebsfrequenz sein, damit die Ausbreitung von Störwellen reduziert wird.

Im Kolben 12 sind mehrere Querschlitze 42 angebracht, die sich vollständig quer zum Kolben 12 in vertikalen Ebenen durch den Kolben erstrecken. Benachbarte Schlitze sind dabei von den gegenüberliegenden oberen und unteren Rächen aus in den Kolben 12 um mehr als die Hälfte der Höhe des Kolbens eingeschnitten, so dass keine horizontalen Ebenen durch den Kolben vorhanden sind, die nicht von wenigstens einigen der Schlitze 42 geschnitten werden.

Diese Schlitze tragen beträchtlich dazu bei, die seitliche Wellenausbreitung im Kolben auf ein Minimum herabzusetzen, die sonst die Gleichmässigkeit der Eenergieverteilung längs des Kolbens und somit längs des Strahlfeldes stören würde. Die Schlitze 42 sollten so dünn wie möglich sein, und sie sollten sich nicht soweit über die Mitte der Höhe des Kolbens hinauserstrecken, dass die Steifheit des Kolbens beeinflusst wird, da sich dieser Kolben im wesentlichen als starrer Körper verhalten soll.

Alle Wandler Vorrichtungen 10 des Wandlerfeldes sind mit Hilfe von Drähten 44 und 46 an eine gemeinsame Signalerzeugungsvorrichtung 47 angeschlossen, so dass mehrere Wandler im wesentlichen mit der gleichen Frequenz angeregt werden.

Im Betrieb werden alle Wandler mit der erwünschten Frequenz angeregt, damit eine gleichmässige Folge von Tröpfchen aus den mehreren Löchern 36 erzeugt wird. Jede Wandlervorrichtung wird durch die elektrischen Impulse angeregt, die den beiden piezoelektrischen Wandlerkristallen 26 und 28 zugeführt werden. Die Wandlerkristalle 26 und 28 über auf die Befestigungsplatte 30 gleiche Kräfte aus, die zur Folge haben, dass sich die Masseplatte 24 und der Kolben 12 in entgegengesetzten Richtungen verschieben. Die Befestigungsplatte 30 ist im wesentlichen an einem Knotenpunkt zwischen den zwei Wandlern angebracht, an dem eine minimale Anregung der Platte erfolgt. Dies ergibt eine weitere Reduzierung der Übertragung einer Störwellenbewegung von der Befestigungsplatte auf die Wandlerhalterung 16. Wenn der Kolben 12 aufgrund der kombinierten Wirkung der Wandler 26 und 28 aufwärts und abwärts bewegt wird, wirkt er so auf die Druckflüssigkeit ein, dass parallel zur Lochplatte ebene Wellen erzeugt werden, die sich durch die Flüssigkeit gegen die Lochplatte ausbreiten. Eine entsprechende Störung wird in die aus den Löchern 36 austretenden Strahlen eingeführt, und das Anwachsen dieser Störung bewirkt entsprechend dem Rayleigh-Kriterium ein Aufbrechen der Strahlen in gleichmässige Tröpfchen.

Es ist wichtig, alle Wandler längs des Kolbens 12 gleichzeitig und mit der gleichen Amplitude anzuregen. Damit dies erzielt wird, erfolgt die Anregung des Wandlerfeldes vorzugsweise ausserhalb der Resonanz, auch wenn eine Resonanzanregung wirksamer und besser erzielbar wäre. Der Grund dafür ist darin zu sehen, dass in der Praxis die Resonanzfrequenzen der Wandler wegen Variationen der verschiedenen physikalischen Parameter eines zusammengesetzten Wandlers geringfügig unterschiedlich sind. Sowohl die Wandlerampli-tude als auch die Wandlerphase hängen jedoch von der Frequenz ab. Wenn Wandler mit ähnlicher, jedoch nicht exakt gleicher Resonanzfrequenz gleichzeitig mit einer gegebenen Frequenz, beispielsweise der Resonanzfrequenz eines der Wandler, angesteuert werden, dann liefern die anderen Wandler an den Kolben 12 andere Amplituden zu verschiedenen Zeiten als der bei der Resonanz angesteuerte Wandler.

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Die Grösse der Unterschiede hängt von der Breite des Resonanzbandes ab; je schmaler das Band ist, desto grösser sind die Differenzen in der Grösse. Die Amplitude und die Phase werden jedoch relativ unabhängig von der Frequenz, wenn ein Wandler ausserhalb der Resonanz betrieben wird; daher kann eine gleichmässigere Amplituden- und Phasenverteilung an der oberen Fläche des Kolbens 12 erhalten werden, indem die Wandler über oder unter ihren Resonanzfrequenzen angesteuert werden. Bei diesen Frequenzen ergibt sich eine grössere Gleichmässigkeit in der abgegebenen Amplitude und der abgegebenen Phase; die Schwingungsamplituden sind zwar aufgrund des Ansteuerns der Wandler ausserhalb ihrer Resonanzfrequenz beträchtlich reduziert, doch s kann dies durch Anlegen einer höheren Spannung kompensiert werden. Der Vorteil, der durch eine gleichmässige synchrone Anregung der Kraft erhalten wird, ist es wert, einen solchen erhöhten Verbrauch zuzulassen.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

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   PATENTANSPRÜCHE

   1. Vorrichtung zur Erzeugung mehrerer Flüssigkeitströpfchenströme, gekennzeichnet durch einen langgestreckten Vor-ratsbehälter (16, 18) zur Aufnahme einer unter Druck stehenden Flüssigkeit, eine einen Bodenabschnitt des Vorratsbehälters (16, 18) bildende Lochplatte (22) mit mehreren in einem langgestreckten Muster angeordneten Löchern (36), durch die die Flüssigkeit aus dem Vorratsbehälter (16, 18) in einer Folge von kontinuierlichen Strömen ausstossbar ist, einen über dem Vorratsbehälter (16, 18) angeordneten, davon schwingungsseitig isolierten, langgestreckten Kolben (12) mit einer in Kontakt mit der Flüssigkeit stehenden unteren Fläche, mehrere, auf die der unteren Fläche gegenüberliegende obere Fläche des Kolbens (12) einwirkende, ausserhalb des Vorratsbehälters (16, 18) angebrachte, mit kleinem Abstand nebeneinander gelegene elektroakustische Wandler (10), die eine vertikale Translationsbewegung des Kolbens (12) verursachen um eine kontinuierliche Folge ebener Wellen zu erzeugen, damit in der aus den Löchern (36) austretenden Flüssigkeit eine im wesentlichen gleichmässige Druckstörung hervorgerufen wird, eine Halte Vorrichtung (32), die die Wandler (10) und den Kolben (12) federnd auf dem Vorratsbehälter (16, 18) halten, und eine Aktivierungsvorrichtung (47) zum gleichzeitigen wiederholten Aktivieren der Wandler (10) zur Verursachung einer Folge dieser Druckstörungen.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (12) ein von einer Halterung getragenes längliches Teil ist, das ein elastisches Dichtungsglied (14) aufweist, das sich endlos um den Umfangsabschnitt des Kolbens (12) und in abdichtendem Eingriff zwischen dem Vorratsbehälter (16, 18) und dem Kolben (12) erstreckt.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandler (10) piezoelektrische Wandler sind, die in Längsrichtung zu dem Kolben (12) eine Längenausdehnung haben, die kleiner als die Hälfte der Biegeschwingungs-wellenlänge der Wandler (10) bei ihrer maximalen Betriebsfrequenz ist.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder piezoelektrische Wandler (10) folgende Bauteile enthält: obere und untere, sich gleich weit erstreckende piezoelektrische Glieder (26,28), von denen das obere (26) über dem unteren (28), angebracht ist, eine zwischen den beiden piezoelektrischen Gliedern (26, 28) angebrachte und an gegenüberliegenden Seiten dieser Glieder sowie am Vorratsbehälter (16, 18) befestigte Befestigungsplatte (30), ein von dem oberen piezoelektrischen Glied (26) getragenes Masseteil (24) und eine Befestigungsvorrichtung (34), die das Masseteil (24), die beiden piezoelektrischen Glieder (26, 28) und die Befestigungsplatte (30) zusammenhält und an der oberen Fläche des Kolbens (12) befestigt ist, wobei das untere piezoelektrische Glied (28) in Eingriff mit der oberen Fläche des Kolbens gehalten ist.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kolben (12) mehrere in Querrichtung verlaufende vertikale Schlitze (42) angebracht sind, dass benachbarte Schlitze (42) in dem Kolben abwechselnd von der oberen Fläche und von der unteren Fläche aus wenigstens bis zur Hälfte der Dicke des Kolbens (12) reichen, so dass der Kolben (12) keine Horizontalebene aufweist, die nicht von wenigstens einigen Schlitzen (42) geschnitten sind, wobei benachbarte Schlitze (42) in einem Abstand voneinander liegen, der kleiner als eine halbe Wellenlänge der Biegeschwingung des Kolbens (12) bei seiner höchsten Betriebsfrequenz ist.
6. 6. Vorrichtung nach Ansprach 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (12) einen oberen Abschnitt mit allgemein rechtwinkligem Querschnitt und einen unteren Abschnitt mit dem Querschnitt eines gleichschenkeligen Trapezes aufweist, wobei Seitenabschnitte in Richtung zu der Lochplatte (22) schräg nach innen verlaufen.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich- • net, dass längs der oberen Fläche des Kolbens (12) mehrere

   5 elektroakustische Wandler (10) angebracht sind, die jeweils symmetrisch relativ zu einer vertikalen Ebene angeordnet sind, in welcher die Längsachse des Kolbens (12) verläuft, und in einem Abstand voneinander liegen, der kleiner als eine halbe Biegeschwingungswellenlänge bei der maximalen Be-

   jo triebsfrequenz des Kolbens (12) ist.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der unteren Fläche des Kolbens (12) von der oberen Fläche der Lochplatte (22) im wesentlichen, ein Vielfaches eines ungeradzahligen Viertels der Flüssig-

   15 keitsschwingungswellenlänge bei der Betriebsfrequenz der Vorrichtung ist.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenseitenwände (38, 40) des Vorratsbehälters (16, 18), die an die Lochplatte (22) angrenzen, in einem Ab-

   20 stand voneinander liegen, der kleiner als eine halbe Biegeschwingungswellenlänge in der Lochplatte (22) bei der maximalen Betriebsfrequenz der Vorrichtimg ist.

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