DE2144892B2

DE2144892B2 - Vorrichtung zur erzeugung eines troepfchenstrahles, insbesondere fuer tintentroepfchenschreiber

Info

Publication number: DE2144892B2
Application number: DE19712144892
Authority: DE
Inventors: Steven Istvan Shaker Heights Ohio Zoltan (V.StA.)
Original assignee: Ausscheidung in: 21 66 927 Clevite Corp., Cleveland, Ohio (V.St.A.)
Priority date: 1970-09-09
Filing date: 1971-09-08
Publication date: 1976-11-11
Also published as: CA956278A; AU3230071A; JPS5139495B1; US3683212A; AU449014B2; FR2107409A5; DE2144892A1; DE2144892C3; GB1337773A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Tröpfchenstrahles, insbesondere Tintentröpfchenschreiber, mit einem Vorratsbehälter für eine Flüssigkeit und einer mit der Flüssigkeit gefüllten Versorgungsleitung, die den Vorratsbehälter mit einem Reaktionsraum verbindet, der, ebenfalls mit Flüssigkeil gefüllt, von einem elektromechanischen Wandler zumindest teilweise umgeben ist und an dessen Ende

eine Mündung mit einer kleinen Öffnung zur Abgabe der Tröpfchen vorgesehen ist.

Tintentröpfchenschreiber sind in mannigfaltigen Ausführungsformen bekanntgeworden. Sie beruhen überwiegend auf dem Prinzip, daß Tinte unter Druck

einer Düse mit einer kleinen Öffnung zugeführt wird. Der austretende Tintenstrom zerfällt in Tropfen, die in Größe und gegenseitigem Abstand schwanken. Um die Größe der Tröpfchen und deren gegenseitigen Abstand zu vergleichmäßigen, ist es bekannt, einen elektromechanischen Wandler vorzusehen, der entweder die Zufuhrleitung zur Düse in Schwingungen versetzt oder mechanisch auf den Querschnitt dieser Düse einwirkt, indem dieser periodisch verändert wird entsprechend der angelegten Frequenz (DT-OS 19 42 912). Diese bekannte Anordnung arbeitet daher quasi mit einer gesteuerten Blende, die von dem elektromechanischen Wandler betätigt wird. Die periodischen Querschnittsveränderungen »zerhacken« sozusagen den Flüssig keitsstrom und bestimmen dabei die Tropfenbildung.

Die Tinte tritt dabei in Form eines geschlossenen Stromes zunächst aus und zerfällt dann anschließend in die Tropfen.

Die bekannte Vorrichtung besitzt den Nachteil, daß sie Mittel zum Aufrechterhalten eines Druckes im Flüssigkeitssystem aufweisen und zusätzlich auch solche Mittel enthalten muß, um den Flüssigkeitsstrahl von der zu beschriftenden Fläche fernzuhalten, wenn dies bei einem Schreibvorgang einmal notwendig sein sollte, denn der Flüssigkeitsstrahl tritt auch bei abgeschaltetem elektromechanischen Wandler ungehindert aus. Diese Mittel bedeuten einigen Aufwand und verkomplizieren die Vorrichtung.

Schließlich dürfte auch die bekannte Vorrichtung relativ unempfindlich sein, weil die Bewegung des Übertragers auf das im Querschnitt schwankende Element mechanisch übertragen werden muß.

Auf dem gleichen Grundprinzip wie die vorbeschriebene bekannte Vorrichtung, nämlich auf dem Prinzip der »Zerhackung« eines durch statischen Druck erzeugten Flüssigkeitsstromes beruht die durch die US-PS 33 34 350 bekanntgewordene Vorrichtung. Durch diese PS ist also eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Tröpfchenstrahles, insbesondere Tinten-

röpfchenschreiber, mit einem Vorratsbehälter für eine

flüssigkeit und einer mit der Flüssigkeit gefüllten Ver-

orgungsleitung bekannt, die den Vorratsbehälter mit ;inem Reaktionsraum verbindet, der, ebenfalls mit flüssigkeit gefüllt, von einem elektronechanischen Wandler zumindest teilweise umgeben ist und an lessen Ende eine Mündung mit einer kleinen Öffnung Eur Abgabe der Tröpfchen vorgesehen ist. In diesem Falle bildet also der Wandler unmittelbar einei. Teil der Flüssigkeitsleitung, und zwar am Ende unmittelbar vor der Mündung. Der Wandler wirkt sonach unmittelbar auf die Flüssigkeit ein und nicht, wie im erstbeschriebenen bekannten Fall, indirekt. Die Zerhackung scheint jedoch nicht durch querschnittsverändernde Maßnahmen, sondern dadurch, daß das in Schwingungen versetzte Innenröhrchen sich axial ausdehnt und zusammenzieht (Spalte 1, Zeile 55), zu erfolgen. Es ist möglicherweise auch nur daran gedacht, daß sich durch die Vibration des Innei.rohres 50 ein tropfenbeeinflussender Effekt auf den Flüssigkeitsstrom ausüben läßt.

Diese bekannte Vorrichtung hat prinzipiell die gleichen Nachteile wie die eingangs erläuterte bekannte Vorrichtung (Aufwand und Verkomplizierung wegen Druckerzeugung und Wegleiten des Flüssigkeitsstrahles, Beeinflussung der Tropfenbildung). Sie bezieht sich nur auf die Beeinflussung eines Flüssigkeiisstromes zwecks Harmonisierung der Tröpfchenbildung.

Nach einem völlig anderen Prinzip arbeitet vie bekannte Vorrichtung nach der US-PS 25 12 743. Während die vorstehend beschriebenen Schriften die rein mechanischen Vibrationseffekle auf einen Flüssigkeitsstrom ausnutzen, wird beim Gegenstand dieser US-PS die Wirkung von Ultraschallwellen auf die Flüssigkeit an einer Öffnung ausgenutzt. In einem mit Flüssigkeit gefüllten Raum ist ein Ultraschallgcber eingesetzt, dessen Schallwellen auf eine Öffnung im Behälter gerichtet sind. Es treten dabei Kavitations- und Gleichrichtungseffekte auf (Spalte 6, Zeilen 44, 50, 57-58 und Spalte 7, Zeilen 36-37), die einen Austritt eines Tröpfchenstrahles bewirken.

Ein wesentlicher Nachteil des bekannten Prinzips dürfte darin liegen, daß die Tröpfchenbildung verhältnismäßig ungleichmäßig sein dürfte sowie, daß sich Zerstäubungs-iffekte nachteilig bemerkbar machen. Kavitationseflekte verlaufen bekanntermaßen sehr unruhig ab (Zerplatzen von Blasen), was die Tröpfchenbildung sehr weitgehend beeinflußt. Zudem verlangt das bekannte Prinzip offenbar eine sehr große Schallintensität an der Öffnung. Die US-PS si^ht zu diesem Zweck beispielsweise einen Trichter 1 vor, der eine Fokussierung der Schallwellen bewirken soll.

Die CH-PS 4 28 793 zeigt von Ausführungsbeispiel /u Ausführungsbeispiel verschiedene Prinzipien von Vorrichtungen zur Erzeugung eines Tröpfchenstrahles.

In der Ausführung nach Fig. 1 ist ein Ultraschallgeber im Innern eines Behälters 5 angeordnet, an dem sich eine Öffnung 6 befindet. Diese Ausführung gleicht der Ausführung nach Fig. 4 der vorstehenden LiS-PS 25 12 743, wenn man sich an der Spitze des Trichters 20 die Schallquelle denkt. Es sollten sich dann auch die im Zusammenhang mit dieser US-PS erwähnten Effekte ergeben.

Der Ausführung nach Fig. 2 liegt eine Druckmodulation aufgrund der Vibrationen des elektromechanischen Übertragers zugrunde. Durch einen außerhalb ρίηρς Rehälters 5 angeordneten elektromechanischen

Übertrager, der eine Membran 14 betätigt, vergleichbar mit einem Lautsprecher, bei dem sozusagen die Membran 14 die Lautsprechermembran darstellt, wird ein Wellenfeld in der Flüssigkeit im Behälter 5 aufgebaut und bewirkt eine den Knoten und Schwingiuigsbäuchen entsprechende Druckverteilung.

Die Hauptnachteile der Ausführungsformen nach den Fig. 1 und 2 bestehen darin, daß es praktisch nicht möglich ist, ein gleichförmiges Wellenfeld mit entsprechender gleichmäßiger Druckverteilung aufzubauen, so daß die Tropfenbildung ungleichmäßig ist.

Die Fig. 3 und 4 der CH-PS beziehen sicn auf ein anderes Prinzip. Hierbei wird die elektromagnetische Wirkung eines zwischen den Elektroden 17,18 fließenden HF-Stromes mit dem Feld eines Permanentmagneten 22 ausgenutzt, wobei keine Volumenänderung der Kammer 19 auftritt, sondern in axialer Richtung der Kammer eine elektromagnetische Wechselwirkung auf den Tintenfluß ausgeübt wird, indem quasi der Flüssigkeitsstrom innerhalb der Kammer in axialer Richtung »vibriert« (Spalte 3, Zeilen 43-44). Da es sich hierbei um eine statische Wechselwirkung handelt, dürfte es erforderlich sein, mittels eines entsprechenden Druckes einen Flüssigkeilsstrom durch die Kammer 19 aulrecht zu erhalten.

Diese bekannten Ausführungen besitzen den bereits eingangs erwähnten Nachteil aller mit einer unter statischem Druck stehenden und einen Flüssigkeitsstrom erzeugenden Druckschreiber.

Bei der Ausführung nach Fig. 5 der CH-PS wird durch ein äußeres elektrisches Feld die Oberflächenspannung an der Öffnung 6 periodisch geändert. Diese Ausführungsform dürfte nur eine geringe Tropfenfolge zulassen.

Die Erfindung geht von der bekannten Vorrichtung nach der US-PS 33 34 350 aus. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mitteln bei zumindest nahezu drucklosem System eine gleichmäßige gesteuerte Tropfenbildung zu erreichen. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der Erfindung dadurch, daß die Flüssigkeit unter keinem oder einem solchen geringen statischen Druck steht, daß im Ruhezustand des Wandlers, abgestimmt mit der Weite der Öffnung, durch die Oberflächenspannung ein Austritt der Flüssigkeit verhinderbar ist, daß die Polarisierung des Wandlermaterials so gewählt ist, daß aufgrund eines elektrischen Signals im wesentlichen eine radiale Kontraktion und Expansion des Wandlers und des von ihm umschlossenen Reaktionsraumes eintritt, ohne daß der Querschnitt der Mündung sich ändert, daß zurr Erzeugen eines Tropfens jeweils ein elektrischer Impuls mit kurzer A.istiegzeit an den Übertrager anlegbar ist, dessen Polarität so gewählt ist, daß der Wandler eine schnelle Kontraktion durchführt, wodurch aufgrund der Volumenverminderung des Reaktionsraumes unter Überwindung der Oberflächenspannung ein Tropfen an der Öffnung abgegeben wird und dessen Abfallzeil im Verhältnis zur Anstiegszeit lang ist, so daß dei Wandler nach der schnellen Kontraktion wiedei langsam expandiert und dabei Flüssigkeil über die Versorgungsleitung aus dem Vorratsbehälter nachzieht ohne daß Luft über die Öffnung eintritt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet ohni statischen Druck in der Flüssigkeit und formt die cm /einen Tropfen durch eine gesteuerte Expansion uiv Kontraktion des die Flüssigkeil umschließende Wandlers, das heißt nach einem völlig anderen Prinzip im Falle der Erfindung wird die InkompressibiliU

einer Flüssigkeit ausgenutzt. Dies führt dazu, daß im abgeschalteten Zustand der elektrischen Ansteuerung des Wandlers keine Flüssigkeit austritt. Außerdem hat die erfindungsgemäße Vorrichtung den Vorteil, daß die Beeinflussung der Tropfenform über die Form der An-Steuerimpulse besser beherrschbar ist und daß sie empfindlicher reagiert.

Die Erfindung beruht im Gegensatz zu dem Stand der Technik, von dem ausgegangen wird, nicht auf der Beeinflussung eines Flüssigkeitsstromes zwecks Harmonisierung der Tröpfchenbildung, sondern bezieht sich unmittelbar auf die Erzeugung der Tropfen aus einer »ruhenden« Flüssigkeit aufgrund von Volumenverdrängungsefiekten der umschließenden Kammer in Abstimmung mit Oberflächenspannungseffekten an der Mündungsöffnung.

Gegenüber dem erläuterten Stand der Technik, wie er durch die US-PS 25 12 743 und die verschiedenen Ausfuhrungsformen nach der CH-PS 4 28 793 gegeben ist, unterscheidet sich die Erfindung ganz offensichtlich bereits vom Prinzip her; bei diesen bekannten Vorrichtungen werden Prinzipien verwendet, die mit dem erfindungsgemäßen Prinzip, bei dem der Wandler den Reaktionsraum umgibt, nicht vergleichbar ist.

Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausfuhrungsbeispielen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein System entsprechend der Erfindung, teilweise im Schnitt und teilweise als Schema,

Fig. la eine Modifikation des Systems der Fig. 1,

Fig. Ib eine andere Modifikation des Systems von Fig. 1,

Fig. 2 eine zweckmäßige Schaltung zur Ansteuerung des Systems nach Fig. 1,

F i g. 2 a eine Modifikation der Schaltung nach F i g. 2,

F i g. 2 b eine andere Modifikation der Schaltung nach Fig. 2,

Fig. 3 eine andere mögliche elektrische Schaltung,

Fig. 4 und 5 verschiedene Ausführungsformen der Mündung.

Ein in Fig. 1 schematisch dargestellter Vorratsbehalter 1 enthält Tinte oder eine andere Flüssigkeit 2. Eine Leitung 4 steht in Verbindung mit der Flüssigkeit 2. Eine Leitung 4 steht in Verbindung mit der Flüssigkeit 2 und ist dabei mit Flüssigkeit gefüllt. Eine kleine Mündung 5 in der Leitung 4 ist für den Ausstoß von Flüssigkeit vorgesehen, die als Tröpfchen 7 gezeigt sind.

Die Leitung 4 besteht aus einer eine kleine Bohrung aufweisenden Röhre 8, einem elektromechanischen Wandler 10 und einer Mündungsplatte 11. Die Röhre 8 kann sich unmittelbar bis zu dem Behälter 1 erstrecken; die Leitung 4 kann auch einen Abschnitt 6 mit größerem Durchmesser aufweisen, z. B. eine Plastikröhre, die die Röhre 8 mit dem Behälter verbindet

Der Wandler 10 enthält ein Stück eines piezoelektrisehen Keramik-Röhrchens 13 kleinen Durchmessers. Der Durchmesser kann z. B. bei ungefähr 1,25 Millimetern liegen. Das Keramik-Rchrchen 13 ist mit einer Elektrode 14 auf der inneren Fläche und mit einer Elektrode 16 auf der äußeren Oberfläche versehen. Im dargestellten Fall erstrecken sich die Elektroden nicht bis zu den Enden der Röhre 13, aber es können auch Elektroden voller Länge verwendet werden. Die Röhre 13 ist radial polarisiert

Ein dünner Draht 17 ist um die Röhre 13 gewunden und mit der äußeren Elektrode 16 verlötet wie es bei Position 19 gezeigt ist Der Draht 17 dient somit als ein elektrischer Anschluß fÜT den Wandler.

Die Röhre 8, die aus jedem passenden Metall bestehen kann, wie z. B. Kupfer oder rostfreier Stahl, ist in das Ende des Keramik-Röhrchens 13 mit Hilfe von leitendem Epoxyd 9, das auch die innere Elektrode 14 kontaktiert, einzementiert. Die Röhre 8 ist der zweite elektrische Anschluß für den Wand'er.

Für die Mündungsplatte 11 ist es zweckmäßig, einen Halbedelstein eines Uhrenlagers zu verwenden Derartige Edelsteine sind leicht erhältlich zu niedrigen Kosten und haben exakt vorgegebene Abmessungen in der Bohrung und zwar in einem Bereich, der für die vorliegende Verwendung gerade notwendig ist. Die Mündung 5 kann z. B. einen Durchmesser und eine Länge in der Größenordnung von 0,06 Millimetern haben. Der Edelstein 11 kann an das Ende des Wandlers 10 mit Hilfe eines Epoxydklebers 12 befestigt sein.

Der Wandler 10 arbeitet mit Hilfe des bekannten piezoelektrischen Effekts. Wenn eine Gleichspannung an die Elektroden angelegt wird, vergrößern oder verkleinern sich die Länge und der Innendurchmesser des Keramik-Röhrchens leicht, abhängig von der Polarität der angelegten Spannung relativ zu der Polarität der polarisierenden Gleichspannung, die während der Herstellung verwendet wurde. Die Reaktion ist dabei nahezu augenblicklich, sie wird nur unwesentlich verzöpprt durch Trägheitseffekte.

Wenn eine kleine Flüssigkeitsmenge aus der Mündung 5 ausgetragen werden soll, wird ein Spannungsimpuls von kurzer Anstiegszeit an den Wandler, d. h. an die Anschlüsse 8 und 17 angelegt wobei die Polarität so ausgewählt ist, daß eine Kontraktion des Übertragers verursacht wird. Die daraus resultierende plötzliche Verminderung des umschlossenen Volumens bewirkt einen Druckimpuls, dereine kleine Flüssigkeitsmenge an der Mündung 5 ausstößt. Etwas Flüssigkeit wird durch den Druckimpuls auch zurück in die Röhre 8 verdrängt aber diese Menge ist wegen der hohen akustischen Impedanz, die durch die lange und schmale Bohrung der Röhre erzeugt wird, verhältnismäßig klein.

Der Spannungsimpuls klingt zweckmäßig relativ langsam ab; der Wandler dehnt sich daher nur langsam wieder auf sein ursprüngliches Volumen aus. Wegen der kleinen Änderungsgeschwindigkeit des Volumens während des Abklingens ist die damit begleitete Druckverminderung zu klein, um die Oberflächenspannung an der Mündung 5 zu überwinden. Infolgedessen fließt um die Flüssigkeit zu ersetzen, die vorher ausgestoßen wurde. Flüssigkeit über die Röhre 8 in den Wandler, ohne daß Luft durch die Mündung 5 angezogen wird.

Es ist ersichtlich, daß das vorbeschriebene System aufgrund eines Befehlssignals eine kleine Flüssigkeitsmenge ausstößt Das Befehlssignal ist ein elektrischer Impuls mit kurzer Anstiegszeit Mit Hilfe einer einfachen elektrischen Schaltung können derartige Befehlsimpulse nacheinander zugeführt werden, die aufeinanderfolgend kleine Flüssigkeitsmengen mit jeder gewünschten Frequenz ausstoßen, begrenzt durch die maximale Reaktionsgeschwindigkeit-des Systems. In Fig. 1 ist eine Folge von Befehlsimpulsen mit 22 bezeichnet die der Folge der ausgestoßenen Tröpfchen 7 entsprechen.

Ein statischer Druck auf die Flüssigkeit ist nicht notwendig. Jedoch stören kleine positive oder negative Drücke nicht die Wirkungsweise. Die Bedingung ist lediglich, daß ein statischer Druck alleine nicht groß genug sein darf, um die Oberflächenspannung der Flüssigkeit an der Mündung zu überwinden.

Wenn die betätigenden elektrischen Impulse eine Energie haben, die nicht ausreicht, die Oberflächenspannung an der Mündung zu überwinden, werden keine Tröpfchen ausgestoßen, aber unter dem Stroboskop kann beobachtet werden, wie sich die Flüssigkeitsfläche an der Mündung momentan während jedes Impulses ausbeult. Bei etwas höheren Impulsenergien wird pro Impuls ein Tropfen ausgestoßen. Bei noch höherer Energie wird zusätzliche Flüssigkeit ausgestoßen in der Form von zusätzlichen, separaten Tröpfchen, oder die Gesamtmenge der Flüssigkeit, die mit jedem Impuls ausgestoßen wird, kann die Form eines langen Flüssigkeitszylinders mit abgerundeten Enden annehmen. Daher ist die Menge der für jeden Impuls ausgestoßenen Flüssigkeit durch Einstellung der Energie der Impulse steuerbar. Dies ermöglicht die Verwendung der Erfindung in Schreibern, die mit gesteuerter Schattierung drucken, d. h. mit Grauabstufungen, ohne die Notwendigkeit, viele Tintenpunkte pro Bildelement zu erzeugen.

Bei dem System entsprechend dieser Erfindung ist den Ausfuhrungsformen ein breiter Raum gegeben. Die folgenden Hinweise und Beispiele geben Anregungen Tür die Konzeption von Ausführungsformen.

Um zu vermeiden, daß ein zu großer Teil von Flüssigkeit in den Behälter 1 getrieben wird, ist es erstrebenswert, eine verhältnismäßig hohe akustische Impedanz zwischen dem Übertrager und dem Behälter 1 vorzusehen, die in Fig. 1 durch eine Röhre 8 mit kleiner Bohrung geliefert wird. Eine ausreichende Wirkung kann jedoch auch erzielt werden, ohne daß irgendeine Begrenzung in der Röhre vorgesehen wird. Eine solche Anordnung ist in Fig. la gezeigt.

In F i g. 1 a wird Flüssigkeit von einem nicht gezeigten Vorratsbehälter dem Wandler 10' durch eine Plastikröhre 6' zugeführt, die über das Ende des Wandlers gesteckt ist. Die elektrische Verbindung mit der inneren Elektrode 14 wird dadurch erreicht, daß sich die Elektrode über das Ende der Keramik-Röhre 13 zu der äußeren Oberfläche erstreckt, wie bei 14' gezeigt ist. Ein dünner Draht 17' ist mit der Elektrodenverlängerung 14' mittels eines Lotes 19' befestigt und dient als ein Anschluß für den Übertrager. Mit dieser Anordnung werden, um Flüssigkeit auszustoßen, etwas höhere Amplituden der elektrischen Impulse benötigt

Fig. Ib zeigt eine Modifikation der Konstruktion nach Fig. la, gemäß der die akustische Impedanz der Versorgungsleitung 6' mindestens so groß ist wie die Impedanz der Ausgangsmündung, wobei der Effekt der Obeiflächenspannung an der Mündung nicht berücksichtigt ist Die Modifikation besteht darin, an dem inneren Ende des Wandlers 10' einen Edelstein 11'mit einer Öffnung 5', die die gleichen Abmessungen wie die Ausgangsmündung 5 hat, anzubringen.

Obwohl die Anordnungen der Fig. la und Ib im Prinzip funktionieren, ist es im allgemeinen wünschenswert, einen höheren Strömungswiderstand an dem Wandlereinlaß vorzusehen. Anstelle der Verwendung einer kleinen Bohrung in der Röhre 8 gemäß Fig. 1 ist es möglich, einen dünnen Schlitz oder ein poröses Teil oder andere Strömungswiderstände an dem Übertragereingang vorzusehen. Weiterhin kann die Wirkung der Röhre 8 in Fig. 1 verbessert werden, indem ein Strömungswiderstand an dem Eingangsende hinzugefugt wird, der so dimensioniert ist, daß er als ein angepaßter Wellenwiderstands-Abschluß für die Röhre in ihrer Eigenschaft als Übertragungsleitung wirkt nies würde Resonanzeffekte in der Röhre 8 reduzieren oder ausschließen. Es wurden jedoch auch ausgezeichnete Ergebnisse ohne einen solchen Abschluß erzielt. Die Volumenänderung innerhalb des Wandlers 10 muß das Volumen der Flüssigkeit übersteigen, das bei der Mündung 5 ausgestoßen werden soll. Die keramische Zusammensetzung und die Abmessungen der Keramik-Röhre 13 sowie die Energie der treibenden Impulse sind hierbei die maßgebenden Faktoren. Gute Ergebnisse wurden erreicht mit Volumenveränderungen des Wandlers, die ungefähr viermal so groß wie das Volumen der ausgestoßenen Flüssigkeit sind. Für eine mit Vollelektroden versehene dünnwandige Röhre, die nicht durch Verklammerungen an den Enden oder durch einen Strömungswiderstand beengt ist, ist der

is Quotient aus Volumenveränderung über Gesamtvolumen aufgrund des piezoelektrischen Effekts ungefähr

E/t,

wobei

(JV/V) dieVolumenveränderung pro Volumeneinheit, rf₃) eine piezoelektrische Spannungskonstante,
_2S E die angelegte Spannung,

" ι die Dicke der Röhrenwandung

bedeutet. Hierbei ist zu beachten, daß die Wanddicke t in solchen Einheiten gemessen wird, die den Einheiten, die zum Ausdrücken der Größe d_}] verwendet wurden, entsprechen; gewöhnlich sind es MKS-Einheiten. Das negative Zeichen zeigt eine Kontraktion an, wenn die angelegte Spannung die gleiche Polarität wie die ursprüngliche polarisierende Spannung hat.

Ein anderes Erfordernis ist daß die Änderungsgeschwindigkeit des Volumens im Hinblick auf die Strömungs-lmpedanzbeiastung des Wandlers ausreichend sein muß, um also genügend Druck zu entwickeln, der die Oberflächenspannung an der Mündung 5 überwindet.

Eine Vielfalt von einfachen Schaltkreisen kann verwendet werden, um geeignete Befehlsimpulse an den Wandler zu liefern. Fig. 2 zeigt ein Beispiel eines Impulsgebers, bei dem die kapazitive Komponente des Wandlers als Teil des Impulsgebers verwendet wird. In Fig. 2 ist der Wandler 10 schematisch im Querschnitt gezeigt. Die eingekreisten Polaritätszeichen zeigen an, daß das Keramik-Röhrchen, das in diesem Beispiel verwendet wird, während der Herstellung mil der inneren Elektrode positiv und der äußeren Elektrode negativ polarisiert wurde. Eine Gleichspannungs quelle 20 ist mit dem negativen Anschluß mit dei inneren Elektrode 14 verbunden. Der positive An Schluß der Quelle 20 ist über Serienwiderstände 23 unc

ss 25 mit der äußeren Elektrode 16 verbunden. Der Wider stand 23 hat einen verhältnismäßig hohen Widerstands wert während der Widerstand 25 einen verhältnis mäßig niedrigen Widerstandswert hat

Ein Transistor 26 wirkt als Schalter. Der Kollektor 3i

ist mit der Verbindung zwischen den Widerständen 2; und 25 verbunden; der Emitter 34 ist mit dem negativei Pol der Quelle 20 verbunden. Die Steuerimpulse 3] werden zwischen der Basis 28 und dem Emitter 34 übe Anschlüsse 29 zugeführt

Im Ruhezustand ist der Schalter offen, so daß di< Wandlerkapazität auf den Spannungswert der Quellt 20 aufgeladen wird. Da die Polarität der angelegtei Spannung umgekehrt ist zu der ursprünglichen Polari

ίο

Treiberschaltung Fig. 2b

Spannungsquelle 20 50 Volt

sierungspolarität, befindet sich der Wandler in einem expandierten Zustand.

Wenn ein Steuerimpuls 31 den Anschlüssen 29 zugeführt wird, wird die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors leitend. Dadurch wird der durch die kapazitive Komponente des Übertragers gebildete Kondensator schnell über den niedrigen Widerstand 25 und den niedrigen Transistorinnenwiderstand entladen. Der Wandler reagiert mit einer plötzlichen Kontraktion, wobei eine kleine Menge von Flüssigkeit an der Mündung 5 ausgestoßen wird.

Wenn der Impuls 31 ungefähr auf Null abgefallen ist, wird der Transistor 26 wieder gesperrt, wodurch der durch die kapazitive Komponente des Wandlers gebildete Kondensator über die Widerstände 23 und 25 i.s wieder auf die Spannung der Quelle 20 aufgeladen wird. Wegen des höheren Wertes des Widerstandes 23 verläuft die Aufladung verhältnismäßig langsam. Der Wandler reagiert mit einer langsamen Ausdehnung und zieht dabei Flüssigkeit über die Röhre 8 aus dem 20 Behälter 1, um die ausgestoßene Flüssigkeit zu ersetzen. Daher liefert die Schaltung nach Fig. 2 als Antwort auf Steuerimpulse 31 Befehlsimpulse kurzer Anstiegszeit mit einer verhältnismäßig langen Abfallzeit, wie sie bei 33 gezeigt sind. Zweckmäßig sollte die 25 dards on PiezoelecuVCrystals Measurements of Piezo-Abfallzeit mindestens viermal so lang wie die Anstiegs- electric Ceramics, Proceedings of the IRE Vol. 49, ^{zeit sein}· No. 7, July 1961 (IEEE 179-1961) verwiesen.

Einige Verbesserungen in der Wirkungsweise werden Bei der Schaltung von F i g. 2 gibt es eine Grenze der

gemäß Fig. 2 a durch Hinzufügen einer induktiven Versorgungsspannung 20, bei deren Überschreiten eine Komponente 36 in Reihe mit dem Kollektor des Tran- 30 Depolarisation des Keramikmaterials erfolgen könnte.

Transistor 26
Widerstand 25
Widerstand 23
Induktivität 36

Steuerimpuls 31

Amplitude
Dauer

Tröpfchen Durchmesser des
Tintenflecks
Austrittsgeschwindigkeit
Wiederholungsfrequjnz

MJ 421
200 Ohm
1000 Ohm
2 mil

3 niA
20 ms

0,13 Millimeter

1 bis 2 m/s

bis zu 50000/s

Zur Definition der Eigenschaften, die für das keramische Material angegeben wurden, wird auf IRE Stan-

sistors, oder gemäß Fig. 2b in Reihe mit dem Wandler erreicht.

Mit einem Wandler, der eine Kapazität von ungefähr 5000 pF und eine Induktivität im Bereich von 1 bis 10 mH hat, können gute Resultate erzielt werden. Eine typische Form für die Impulsspannung, die an den Wandler angelegt wurde, ist bei 33' gezeigt.

Für die Ausführungsform nach F ig. 1 werden zweckmäßig folgende Teile und Werte verwendet.

40

Keramik-Röhrchen 13
Zusammensetzung:

Bleizirkonat - Bleititanattyp mit den folgenden

Eigenschaften:	3400
AT₁	-.388
*31	-274 X 10"¹² Meter/Volt
du	16,5 X 10" ^u Meter /Newton
4i	7,5 X 10³ Kilogramm/Meter³
ß	12,7 Millimeter
Länge	0,76 Millimeter
Innendurchmesser	0,25 Millimeter
Wanddicke
Mündung 5	0,06 Millimeter
Durchmesser	0,06 Millimeter
Länge
Versorgungsröhre 8	0,41 Millimeter
Innendurchmesser	12,7 Millimeter
Länge
Flüssigkeit	Tinte auf Wasserbasis mit einer Viskosität und

Oberflächenspannung ähnlich der von Wasser.

Die Grenze hängt von der Zusammensetzung des Keramikmaterials und von der Wanddicke der Röhre 13 ab. Die Fig. 3 zeigt eine Schaltungsanordnung, die nicht dieser Beschränkung unterliegt, aber die zusätzliche Bauteile erfordert.

In Fig. 3 ist der positive Anschluß der Spannungsquelle 20 mit der inneren Elektrode 14 des Übertragers 10 und der negative Anschluß über einen Transistorschalter 26 und einen Widerstand 25 mit der äußeren Elektrode 16 verbunden. Wenn der Transistor gesperrt ist, liegt keine Spannung an dem Übertrager. Wenn der Transistor eingeschaltet ist, wird die Spannung der Quelle 20 an den Übertrager mit der gleichen Polarität angelegt, die während der früheren Polarisation des Keramik-Röhrchens verwendet wurde; daher kann keine Depolarisation infolge einer zu großen Spannung stattfinden. Ein Entkopplungskondensator 35 überträgt die Steuerimpulse, die den Anschlüssen 29 zugeführt werden, auf die Transistorbasis 28. Eine Diode 37 geso währleistet, daß der Kondensator wieder seine Ruheladung erhält, wenn der Steuerimpuls auf Null abfällt Im Ruhezustand ist der Transistor 26 gesperrt und der Wandler 10 besitzt daher keine Ladung. Wenn ein Steuerimpuls 31' auftritt, schaltet der Transistor 2i durch und der durch die kapazitive Komponente de: Wandlers 10 gebildete Kondensator lädt sich schnei; über den niedrigen Widerstand 25 und den Innen widerstand des Transistors auf. Dabei ist ein niedrig» Innenwiderstand der Spannungsquelle 20 notwendig Der Wandler reagiert mit einer schnellen Kontraktion wobei Flüssigkeit durch die Mündung ausgestoßei wird. Wenn der Impuls 31' auf Null abfallt, wird de Transistor 26 gesperrt und der durch die kapazitiv« Komponente des Wandlers gebildete Kondensator ent lädt sich verhältnismäßig langsam über den großei Widerstand 23. Der Wandler reagiert durch langsame Expandieren und Anziehen von Ersatzflüssigkeit übe die Röhre 8 Auch bei der Schaltung nach Fig. 3 kam

entsprechend Fig. 2a oder 2b eine Induktivität in Serie mit dem Transistor oder Wandler geschaltet werden.

Wenn die Flüssigkeit korrodierend auf das Elektrodenmaterial des Keramik-Röhrchens wirkt, kann die Konstruktion nach Fig. 4 angewendet werden. In diesem Fall erstreckt sich die mit kleinem Durchmesser versehene Flüssigkeitsversorgungsröhre 38 durch das Keramik-Röhrchen 13 hindurch. Sie besitzt am Ende einen Auslauf, der die Mündung 5' bildet. Jedoch können auch ein Edelstein-Uhrenlager, entsprechend Fig. 1, oder eine andere Mündungsanordnung verwendet werden. Das Keramik-Röhrchen 13, das mit der Versorgungsröhre mit Hilfe eines Epoxydzements 40 verbunden ist, ist daher indirekt mit der Flüssigkeit innerhalb der Versorgungsröhre gekoppelt. Diese Anordnung besitzt jedoch wegen der Steifheit der Versorgungsröhre 38 eine verminderte Empfindlichkeit; es ist daher, um Flüssigkeit auszustoßen, eine höhere Impulsenergie notwendig. Es ist dabei vorteilhaft, eine Schaltung gemäß Fig. 3 zur Impulserzeugung zu verwenden.

Es ist nicht notwendig, daß die Flüssigkeit durch den Wandler hindurchfließt. Zum Beispiel enthält in Fig. 5 die Versorgungsröhre 42 einen Versorgungsleil 8' mit kleiner Bohrung, der am Ende zur Anbringung der Mündungsplatle 11 vergrößert ist. Ein T-förmigcr Fortsatz 41 ist mit einem Ende des Wandlers 10 verbunden. Das andere Ende des Wandlers 10 ist durch die Kappe 43 verschlossen. Wenn ein Befehlsimpuls zugeführt wird, kontrahier! der Wandler plötzlich und stößt Flüssigkeit in die Leitung 42. Der sich dabei -ergebende Druckimpuls überwindet die Oberflächenspannung an der Mündung 5 und verursacht den Auswurf von Flüssigkeit, z. B. in Form der Tropfen 7. Der hohe Strömungswiderstand des Versorgungsteils 8' verzögert einen Rückfluß zum Vorratsbehälter Während sich der Wandler langsam wieder ausdehnt fließt jedoch Flüssigkeit über die Versorgungsröhre 8 in den vom Wandler eingeschlossenen Raum.

I i um zn 3 Blau /cichnuniicn

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Erzeugung eines Tröpfchenstrahles, insbesondere Tintentröpfchenschreiber, mit einem Vorratsbehälter für eine Flüssigkeit und einer mit der Flüssigkeit gefüllten Versorgungsleitung, die den Vorratsbehälter mit einem Reaktionsraum verbindet, der, ebenfalls mit Flüssigkeit gefüllt, von einem elektromechanischen Wandler zumindest teilweise umgeben ist und an dessen Ende eine Mündung mit einer kleinen Öffnung zur Abgabe der Tröpfchen vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit (2) unter keinem oder einem solchen geringen statischen Druck steht, daß im Ruhezustand des Wandlers (10), abgestimmt mit der Weite der Öffnung (5), durch die Oberflächenspannung ein Austritt der Flüssigkeit verhinderbar ist, daß die Polarisierung des Wandlermaterials so gewählt ist, daß aufgrund eines elektrischen Signals im wesentlichen eine radiale Kontraktion und Expansion des Wandlers und des von ihm umschlossenen Reaktionsraumes eintritt, ohne daß der Querschnitt der Mündung sich ändert, daß zum Erzeugen eines Tropfens jeweils ein elektrischer Impuls (33) mit kurzer Anstiegszeit an den Übertrager (10) anlegbar ist, dessen Kurvenform und Polarität so gewählt ist, daß der Wandler eine schnelle Kontraktion durchführt, wodurch aufgrund der Volumenverminderung des Reaktionsraumes unter Überwindung der Oberflächenspannung ein Tropfen (7) an der Öffnung (5) abgegeben wird und dessen Abfallzeit im Verhältnis zur Anstiegszeit lang ist, so daß der Wandler nach der schnellen Kontraktion wieder langsam expandiert und dabei Flüssigkeit über die Versorgungsleitung (4) aus dem Vorratsbehälter (1) nachzieht, ohne daß Luft über die Öffnung eintritt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfallzeit des Impulses (33) mindestens viermal so lang wie die Anstiegszeit ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem der Mündung abgekehrten Ende des Wandlers (10) ein hoher Strömungswiderstand vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungswiderstand durch ein Röhrchen (8) mit kleiner Bohrung gebildet ist, das zumindest ein Teil der Versorgungsleitung (4) bildet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungswiderstand aus einem der Mündung (11) gleichen Verschluß mit einer der Öffnung in der Mündung gleichen Einlaßöffnung (5) besteht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (10) ein radial polarisiertes piezoelektrisches Keramik-Röhrchen (13) aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Keramik-Röhrchen (13) ein Innenröhrchen (38) hindurchgeführt ist an dem sich die Mündung befindet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Impulse eine Schallung vorgesehen ist, in der der durch die kapazitive Komponente des Wandlers gebildete Kondensator als C-Anteil

eines /?C-Zeitkreises dient, wobei der Kondensator, geschaltet durch einen elektronischen, von einem Rechteckimpuls (31) gesteuerten Schalter (26), über unterschiedliche Lade - Entladewiderstände (23, 25) unterschiedlich schnell auf die Spannung einer Quelle (20) auf- bzw. entladbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie der Impulse zur Einstellung der mit jedem Tropfen ausgestoßenen Flüssigkeitsmenge einstellbar ist.