DE2137792C3

DE2137792C3 - Tintentropfendrucker

Info

Publication number: DE2137792C3
Application number: DE2137792A
Authority: DE
Inventors: Henry A. Mount Prospect Dahl; Robert I. Niles Keur; Sandra Lafayette Ind. Miller
Original assignee: AB Dick Co
Current assignee: AB Dick Co
Priority date: 1970-08-05
Filing date: 1971-07-28
Publication date: 1973-12-20
Also published as: DE2137792B2; NL7110771A; GB1347148A; FR2101843A5; US3683396A; CA956360A; DE2137792A1; JPS5432331B1

Description

«5

gewählt ist, wobei F eine Arbeitsfrequenz der Düse, /V eine Ordnungszahl einer ungeradzahligen harmo-

Die Erfindung betrifft einen Tintentropfendrucker 5» nischen Oberwelle der Arbeitsfrequenz und Vj die

mit einer Düse, durch deren Düsenöffnung unter Schallgeschwindigkeit in der in der Düse verwendeten

Druck stehende Tinte austreten kann, mit einem.in der Tinte ist.

Düse angeordneten, die Tinte der Düsenöffnung zu- Auf diese Weise vereinfachen sich die Konstruktionsführenden inneren Hohlraum und mit einem an der teile zur Energieerzeugung. Die Verlustwärme wird Düse angreifenden elektromechanischen Wandler, der 55 verringert und Temperaturänderungen der Tinte die Düse mit einer festgelegten Betriebsfrequenz werden vermieden. Das Betriebsverhalten des Tinten-' streckt und entspannt und hierdurch die Strömung der tropfendruckers läßt sich damit leicht stabilisieren. Es Tinte im inneren Hohlraum durch Störschwankungen bieten sich vorteilhafte Ausführungsformen an, die beeinflußt. auch Schwankungen der Umgebungstemperatur kom-

Ein hauptsächliches Problem eines Tintentropfen- 60 pensieren.

druckers liegt darin, Tropfen gleicher Größe zu er- Es hat sich herausgestellt, daß der das Fluid ent-

zeugen, da die Tropfen elektrisch aufgeladen und in haltende Düsenhohlraum als geschlossene Pfeife

einem elektrischen Feld entsprechend dem darzustellen- wirkt. Geschlossene Pfeifen sind in Resonanz, wenn

den Zeichen oder Symbol abgelenkt werden. Ungleiche ihre Längen ein ungeradzahliges Vielfaches der Viertel·

Tropfen entstehen beim Abreißvorgang des Tropfens 65 wellenlänge des Schalles in dem Hohlraum sind. Die

vom Tintenstrahl, da der Abreißfaden einen zusatz- im vorausgehenden Absatz angegebene Formel drückt

liehen kleinen Tropfen bildet, der im folgenden die Beziehung in einer geschlossenen Pfeife zwischen

Satellit genannt wird. Je nachdem, ob der Abreiß- der Resonanzfrequenz und der Pfeifenlänge für ein

vorgegebenes ungerudzahliges Vielfaches der
Wellenlänge mis.

Hat man die Düse für Fluidresonanz berechnet, dann geht die Berechnung der Düse für-mechanische Resonanz mit praktisch der gleichen Formel weiter:

«V Κι

, worin

I, 2, i usw.,

/■'-- die gewünschte Arbeitsfrequenz, Vμ die Schallgeschwindigkeit in dem Körper der Dü>>e, und L.\_t -. eine Strecke, über die die Resonanz erfolgt. Die bezeichnete Länge ist diejenige, die die Hauptmassen vereinigt enthält, weiche zur Düse gehören. Bei der Konstruktion einer Düse ist" es zweckmäßig, die mechanische Resonanzlänge kurzer zu machen als die tluidresonanzlänge.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Ernndung an Hand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

l· ι g. 1 ein Blockschema eines Tintenstrahl-Drukkers zum besseren Verständnis der Erfindung,

F i g. eine Düsenkonstruktion für den Tintenstrahl ohne den piezoelektrischen Treiber für die Düse,

F i g. 3 eine Düsenkonstruktion mit piezoelektrischem Treiber,

F i g. 4 eine Rayleigh-Kurve.

F i g. 1 zeigt eine schematische Dai stellung eines Tintentropfendruckers zum besseren Verständnis der Erfindung. Eine Pumpe 10 liefert Druck an einen Tintenbehälter 11, so daß eine flexible Leitung 12 mit unter Druck stehender Tinte versorgt wird. An der Leitung oder rund um die Leitung ist gewöhnlich ein elektrornechanischer Wandler 14 angeordnet, der von Signalen aus einem Signalgeber 16 getrieben wird. Der Wandler dient dazu, die Leitung 12 im Bereich der Düse 18 in Schwingung zu versetzen und/oder zu komprimiere.i. Dadurch wird ein Tintenstrahl 20 ausgestoßen, der ein kurzes Stück weiter in Tropfen 22 abreißt, die mit einer von der Schwingungsfrequenz bestimmten Anzahl pro Zeiteinheit gebildet werden. Im Bereich, wo der Strahl 20 in Tropfen zerreißt, ist eine Ladetunnel 24 vorgesehen. Dieser besteht aus einem hitenden Zylinder, an den Videosignale von einer Videosignalquelle 26 angelegt werden. Die Videosignale errichten in dem Ladetunnel ein Feld, so daß die Tintentropfen, die darin gebildet werden, eine Ladung annehruen, die von der Amplitude des Videosignals abhängt, das zu dem Zeitpunkt der Trennung des Tropfens vom Tintenstrahl 20 präsent ist.

Hinter dem Ladetunnel sind gewöhnlich zwei Elektroden 28 angebracht, die an eine Feldspannungsquelle 30 angeschlossen sind. Dadurch ist zwischen den Elektroden ein konstantes elektrisches Feld vorhanden. Die Tintentropfen, die dem Videosignal entsprechende Ladungen tragen, betreten dieses Feld und werden um einen Betrag abgelenkt, der proportional der Größe der Ladung ist. Auf diese Weise ist eine Aufzeichnung von Nachrichten auf einem Aufzeichnungsträger 32 möglich, der mit einer synchronen Geschwindigkeit an den Elektroden vorbeigeführt wird. Tropfen, die keine Videoladung tragen werden von einem Rohr oder einer Wanne 34 abgefangen, die mit Bedacht auf der Seite angeordnet ist, daß sie diese Tropfen auffängt. Sie führt zu einem Ablnlifbehälter 36. Das Papier 32 bewegt sich senkrecht zur /eichenebene, wobei seine Bewegung zusammen mit der Ablenkung der Troplen zur Bildung lesbarer Zeichen verwendet wird.

In F i g. 2 ist eine Düse ohne ihren piezoelektrischen Treiber gezeigt. Sie besteht aus einem Rohr 40, das ahne seinem Hinterende ein Gewindeteil 42 und nächst seinem Vorderende einen verbreiterten Teil 44 hat. Wie mit gestrichelten Linien angedeutet, ist das Rohr in der Mitte hohl und sein durchgehender Hohlraum

ίο ist am Vorderende 46, an dem der Ausstoß erfolgt, auf einen Durchmesser reduziert, der sehr viel kleiner ist als der Durchmesser des übrigen Hohlraumes η dem Rohr.

F i g. 3 zeigt das Aussehen der Düse mit der daran

befestigten piezoelektrischen Treibvorrichtung. Letztere besteht aus zwei piezoelektrischen Kristallen 50 und 52, die voneinander durch eine leitende Elektrode 54 getrennt sind. Die Kristalle werden von einer Mutter 56, die auf das Gewinde Xl aufgeschraubt ist,

gegen den verbreiterten Teil 44 gepreßt. Die piezoelektrischen Kristalle sind <.o polarisiert, daß sie sich beim Anlegen eines Potenti Js in Achsrichtung ausdehnen und zusammenziehen. Dabei üben sie eine Druckkraft gegen die Mutter und den verbreiterten

Teil 14 aus, wodurch die Düse gezwungen wird, sich zu strecken und zu verkürzen. Dies wiederum hat Einschnürungen zur Folge, die auf das durch die Düse strömende Fluid einwirken.

In F i g. 2 ist die Länge für die Konstruktion der

Düse zur Fluidresonanz mit Ln. bezeichnet. Sie reicht vom einen Ende der Düse bis zum anderen. In F i g. 3 ist die für eine mechanische Resonanz in Frage kommende Länge mit Lme bezeichnet. Sie reicht vom Ende der Mutter bis zum anderen Ende des verbreiterten Teils. Sie umfaßt also den Düsenabschnitt, der von den beiden, die piezoelektrischen Kristalle festhaltenden Körpern und von der Länge der beiden Kristalle bedeckt ist.
Das Hinterende der Düse, das nahe dem Gewindeteil 42 liegt, ist gewöhnlich mittels eines nicht gezeigten Schlauches an einen Fluidbehälter angeschlossen.

Eine wirksame Energieübertragung auf den Fluidstrahl ist durch die Zeit gekennzeichnet, die ein Fluidelement benötigt, um vom Ende der Düse zu der

Stelle zu gelangen, wo die Kontinuität des Strahles aufhört und die Tropfen entstehen. Diese Zeitspanne ist als Abreißzeit bekannt. Eine kürzere Abreißzeit bedeutet eine wirkungsvollere Energieübertragung. Lord R a y I e i g h stellte fest, daß es eine Beziehung

zwischen der Abreißzeit und einem Quotienten -j

gibt. Ä ist gegeben durch , worin V die Geschwindigkeit des Fiuidstrahles, /die Frequ;nz der an das Fluid angelegten Störung und el der Durchmesser des austretenden Fluids ist.

F i g. 4 zeigt eine Kurve 60, die durch Auftragen der obigen Beziehung für eine bestimmte Treibspannung an dem piezoelektrischen Kristall entstanden ist. Sie ist als Rayleigh-Kurve bekannt. In der Kurve 60 ist die Abreißzeit in Miktosekunden als

Ordinate aufgetragen und der Wert -_f als Abszisse. Die

Spannung zum Treiben der Kristalle war für diese Kurve 25 Volt. Bei Abnahme der Treibspannung käme praktisch ein Duplikat dieser Kurve zustande, das jedoch auf dem Diagramm höher liegen würde. Bei Erhöhen der Spannung wäre die entstehende Kurve

iraktisch ein Duplikat der gezeigten, das auf dem Diagramm tiefer liegen würde.
Für alle diese Kurven hat sich herausgestellt, daß

beim Steigen des Wertes . über einen bestimmten Wert

hinaus günstige Bedingungen für die Bildung schneller Satelliten eintreten. Für die gezeigte Kurve fand dies

bei einem Wert von ' von etwa 4.8 statt. Für jede Kurve

wurde der gleiche Punkt, jenseits dessen schnelle Satelliten auftreten, gefunden. Wenn die Treibspannung zunahm, nahm der erforderliche Wert für '

ab. Also traten Werte von '., die über einem unteren

Grenzwert für eine spezielle Betriebsspannung liegen. zur Bildung der erwünschten schnellen Satelliten bei

Um eine wirksame Energieübertragung zu gewährleisten und gleichzeitig schnelle Satelliten zu erzeugen, ist es notwendig, die Düse so zu konstruieren, daß Fluidresonanz auftritt. Beobachtet man das Verhalten der Düse über einen Frequenzbereich, so stellt sich heraus, daß der das Fluid enthaltende Düsenhohlraum wie eine geschlossene Pfeife wirkt Geschlossene Pfeifen sind in Resonanz, wenn ihre Länge einem ungeradzahligen Vielfachen der Viertelwcllenlänge des Schalls in dem Hohlraum entspricht. Wie oben erwähnt, wird diese Erscheinung durch folgende Gleichung dargestellt:

N 4

IfIuIiI L fluid

Weiter wurde gefunden, daß der Betrieb einer Düse im Zustand außer Resonanz einen größeren Energieverlust oder sogar eine schlechte Tropfenbildung mit sich bringt. Daraus folgt, daß der erste Schritt bei der Konstruktion einer Düse darin besteht, eine Düse vorzusehen, bei der die Fluidresonanz nahe oder unmittelbar an der Frequenz liegt, mit der die Tröpfchen gebildet werden sollen.

Die Schallgeschwindigkeit ist für verschiedene Fluids ziemlich unterschiedlich. Auch kommt es im Betrieb des Tintenstrahldruckers zu einem Temperaturanstieg ^;n dem Fluid als Folge von Umweltbedingungen. In dem in Frage kommenden Temperaturbereich haben einige Fluids, beispielsweise Wasser, einen positiven Koeffizienten der Schallgeschwindigkeit, d. h., die Schallgeschwindigkeit nimmt mit der Temperatur zu. Für eine Anzahl anderer Fluids, zu denen auch solche auf Ölbasis gehören, nimmt die Schallgeschwindigkeit bei Temperaturanstieg ab. Der Temperaturkoeffizient ist also in diesem Fall negativ.

Gemäß der Erfindung wurde festgestellt, daß durch Verschieben der Frequenz, die in die Formel für Fluidresonanz eingeht, nach der einen oder der anderen Seite der tatsächlich angestrebten Frequenz der Tropfenbildung die Änderung der Leistung mit der Temperaturänderung kompensiert werden kann. Dabei hängt die Seite, nach der die Frequenz verschoben wird, davon ab, ob das verwendete Fluid einen positiven oder einen negativen Koeffizienten hat. Für wässerige Lösungen beobachtet man eine Erhöhung der Resonanzfrequenz mit zunehmender Temperatur. Gleichzeitig macht die mit steigender Temperatur einhergehende Zunahme von ' das System leichter antreibbar. Demzufolge wird, wenn die Resonanzfrequenz höhet¹ liegt als die Arbeitsfrequenz, der Antrieb durch die Frequenzverschiebung schwerer und druch

die Änderung von ' leichter.

(I

Bei Temperaturerniedrigung spielt jede Komponente eine entgegengesetzte Rolle. Wenn die Resonanz niedriger ist als die Arbeitsfrequenz, wirken die beiden Änderungen in der gleichen Richtung, und eine Übcrsteuerung tritt früher ein. Aus praktischen Gründen ist offensichtlich der oben zuerst genannte FaIl vorzuziehen, da ein breiterer Temperaturspielraiini gegeben ist. In einem praktischen Beispiel wurde eine wässerige Lösung von Polyäthylenglykol verwendet in einem System, das auf ein Abreißen bei einer Frequenz von 66 KHz eingestellt war. Zur Berechnung der erforderlichen Länge des Hohlraums wurde eine Fluid resonanzfrequenz von 68 KHz, d. i. 2 KHz. über dem Arbeitspunkt, in der Konstruktionsformei verwendet.

ao Im Vorstehenden ist auf eine Umgebungstemperatur Schwankung des Tintenstrahldruckers Rücksicht cc nommen.

Methoden zum Messen der Schallgeschwindigkeit eines speziellen Fluids bei einer vorgegebenen Tempo

»5 ratur oder über einen Temperaturbereich sind bereit^ bekannt. Aus der oben gegebenen Information kann man eine Düse berechnen, die eine gewünschte Fluidresonanz hat, wodurch eine wirksame Energieii!vitragung und eine Temperaturkompensation in de;-Düse stattfindet.

Die Bestimmung der mechanischen Resonanz 1-'. nicht Teil der Erfindung. Jedoch muß bei der Abbildung der Düse für Fluidresonanz auch die mc !v nische Resonanz in Betracht gezogen werden. i>,u;i:t die Länge der mechanischen Massen, die an d·.-·- ! η',^ΐ befestigt werden, nicht unvereinbar mit der fsr 1 i■ 0 Fluidrcsonanz erforderlichen Länge ist. Fs ϊ \ -\· mäßig, die mechanische Resonanzlänge ctv. >. ei

vorzusehen als die Fliiidresonanzlängc. uru; ;'■<■:dem muß die Länge für eine Düse auch rcalist^en --ein

Faßt man vorstehendes zusammen, so k;inn man die den Tintenstrahl erzeugende Einheit eines Tintenstrahldruckers in einem -Bereich betreiben, der schn<-!W

Satelliten liefert, und auch an oder nahe am RevMi.i i punkt arbeiten lassen, wo die Energie an wirksamer, auf den Fluidstrahl übertragen wird und eine Temperaturkompensation stattfindet. Zunächst wird eine angestrebte Tropfenbildungsgeschwindigkeit gewählt.

und diese gibt dann die Frequenz an, die an der Düse angelegt werden muß, um Störungen in dem Fliud strom zu erzeugen.

Ein zweiter Schritt bei der Berechnung ist die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit für das spezielle Fluid in dem speziellen Hohlraum bei einer als Arbeitstemperatur festgelegten Temperatur.

Daraus kann mit Hilfe der Formel für Resonanz in Pfeifen die erforderliche Länge des Fluidhohlraums bestimmt werden. Zuletzt bestimmt man die Länge eier Düse, die für eine mechanische Resonanz notwendig ist. Nach der Konstruktion der Düse wird diese bei

einem angestrebten ή. -Verhältnis betrieben, und die angelegte Spannung wird eingestellt, bis der Betrieh endgültig im Bereich der Bildung schneller Satelliter läuft. Dies kann man feststellen, indem man das Verhalten der Satelliten nach dem Durchlaufen des Lade tunnels beobachtet. Die beschriebene Konstruktionsar¹

gewährleistet eine gute Leistung und eine angestrebte Konfiguration des Fluiclstrahles für einen sauberen Druck.

Wenn eine verwendet Düse nicht einen glatten Hohlraum für das Fliud hat, sondern auf ihrer Länge Stufen mit unterschiedlichen Durchmessern bildet, läßt sich die Schallgeschwindigkeit in dem Fluid dieses Hohlraums nicht genau voraussagen. Durch Variieren Ocr an die Düse gelegten Frequenz unter gleichzeitiger

Beobachtung der Abreißzeit kann man feststellen, wo der Resonanzpunkt liegt. Daraus und aus der bekannten Düsenlänge ergibt die Formel für geschlossene Pfeifen die tatsächliche Schallgeschwindigkeit. Wcnr man diese berechnet hat, kann man die Formel nocr einmal für die gewünschte Resonanzfrequenz anwenden und die Länge der Düse berechnen. Die Düse kann dann auf diese berechnete Länge verkürzt ode verlängert werden.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

109 651

Claims

faden zuerst vom Tintenstrahl oder vom Tropfen ab- n ... reißt, entsteht ein langsamer oder ein schneller Patentansprüche: Satellit. Da es bei der Bildung schneller Satelliten nur zu einer ladungserzeugenden Trennung für ein aus dem

1. Tintentropfendrucker mit einer Düse, durch 5 Satelliten und dem Tropfen bestehendes Paar kommt, deren Düsenöffnung unter Druck stehende Tinte gestaltet sich die Synchronisierung einer den Tropfen austreten kann, mit einem in der Düse angeord- und den Satelliten aufladenden Spannung einfacher neten, die Tinte der Düsenöffnung zuführenden als die Synchronisierung einer Spannung bei Bildung inneren Hohlraum und mit einem an der Düse an- von langsamen Satelliten, die sowohl zum Abreißen greifenden elektromechanischen Wandler, der die io des Tropfens als auch zum Abreißen des Latelliten Düse mit einer festgelegten Betriebsfrequenz synchron sein muß.

streckt und entspannt und hierdurch die Strömung Ein Tintentropfendrucker der eingangs erläuterten

der Tinte im inneren Hohlraum durch Stör- Art ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 1 942 912 Schwankungen beeinflußt, dadurchgekenn- des gleichen Anmelder» bekannt. Bei diesem Tintenze ich net, daß zur Anregung einer Fluidreso- 15 trnpfendrucker ist die Düse so konstruiert, daß sie nanz im inneren Hohlraum bei der festgelegten nahe einer Arbeitsfrequenz eine mechanische Resonanz Betriebsfrequenz und zur Energieübertragung vom aufweist, die die Erzeugung schneller Satelliten und elektromechanischen Wandler auf die Tinte mit Tropfen etwa gleicher Größe fördert,
maximalem Wirkungsgrad bei der festgelegten Die Anwendung einer mechanischen Resonanz zum

Betriebsfrequen,? die Länge L/ des inneren Hohl- 20 Erzeugen gleichmäßiger Tropfen ist auch aus der raums entsprechend USA. Patentschrift 3 334 351 bekannt.

Die bekannten Tintentropfendrucker haben jedoch den Nachteil, daß sie die Energie des elektromecha-

L, _ . ^f nischen Wandlers nur schlecht auf Tinte übertragen.

4 F 15 Durch die entstehende Verlustwärme wird die Tinte

erwärmt, was zu Schwankungen im Betriebsverhalten des Tintentropfendruckers führt.

gewählt ist, wobei F eine Arbeitsfrequenz der Düse, Die Erfindung hat deshalb die Aufgabe, die Energie-

N eine Ordnungszahl einer ungeradzahligen harmo- übertragung vom elektromechanischen Wandler auf nischen Oberwe'le der Arbeitsfrequenz und K/ die 30 die Tinte eines eingangs näher erläuterten Tinten-Schallgeschwindigkeit in der in der Düse ver- tropfendruckers zu verbessern und durch Vermeiden wendeten Tinte ist. von Energieverlusten und damit einer Erwärmung der

2. Tintentropfendrucker nach Anspruch 1, da- Tinte das Betriebsverhalten des Tintentropfendruckers durch gekennzeichnet, daß die det Berechnung der zu stabilisieren.

Länge L₁ zugrunde liegende Arbeitefrequenz F 35 Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß zur zum Ausgleich von Auswirkungen einer Änderung Anregung einer Fluidresonanz im inneren Hohlraum der Tintentemperatur gegenüber der festgelegten bei der festgelegten Betriebsfrequenz und zur Energie-Betriebsfrequenz so weit verschoben ist, als einer übertragung vom elektromechanischen Wandler auf Verschiebung der Fluidresonanzfrequenz auf Grund die Tinte mit maximalem Wirkungsgrad bei der festder Änderung der Tintentemperatur beim Betrieb 40 gelegten Betriebsfrequenz die Länge L/ des inneren des Tintentropfendruckers entspricht.

Hohlraums entsprechend