DE2262107A1

DE2262107A1 - Tintenstrahlmatrixdrucker

Info

Publication number: DE2262107A1
Application number: DE19722262107
Authority: DE
Inventors: Walter William Hildenbrand; Wilbur Jack Levine; Stanley Arthur Manning; Karl Friedrich Stroms
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1971-12-23
Filing date: 1972-12-19
Publication date: 1973-06-28
Also published as: JPS5212049B2; CA1001220A; FR2164942A1; US3708798A; GB1355915A; JPS4874114A; FR2164942B1; IT971259B

Description

Amtliches Aktenzeichen

Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin: YO 971 058

Tintenstrahlmatrixdrucker

Die Erfindung betrifft einen Tintenstrahlmatrixdrucker mit einem piezokristallwandler pro Druckdüse.

Ps ist durch die USA-Patentschrift 2 512 743 ein Tintenstrahldrucker bekannt, bei dem ein Piezokristallwandler an dem der Düsenöffnung gegenüberliegenden Ende des Düsenrohres angeordnet ist. In das Düsenrohr mündet eine mit einem Tintenvorratsbehälter verbundene Leitung. Die andere Seite des Wandlers grenzt ebenfalls an eine Flüssigkeit an, die auch die Tinte darstellen kann, und die in einem rohrförmigen Behälter sich befindet. In diesen rohrförmigen Behälter ragt von seinem, dem Wandler abgewandten Ende aus .eine Kegelfläche, die zur Reflexion und Absorption von Ultraschallwellen dient.

Durch die USA-Patentschriften 3 177 800, 3 179 042 und 3 211 sind auch Tintenstrahldrucker mit mehreren Düsen bekannt, deren Düsen Punkte erzeugen, aus denen vollständige Schriftzeichen zusammensetzbar sind. Derartige Drucker werden Matrixdrucker genannt.

Zwei dieser genannten Tintenstrahlmatrixdrucker besitzen zylindrische Düsen, von denen eine jede mit je einem Vorratsbehälter für die Tinte verbunden ist. In das zylindrische Düsenrohr ragen zwei Elektroden, welche die zwischen ihnen befindliche Tinte

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plötzlich zum Verdampfen bringen, so daß die darüberliegende Tinte durch die Düsenöffnung gegen das zu bedruckende Papier gespritzt wird.

Der dritte dieser genannten Txntenstrahlmatrixdrucker weist pro Düsenöffnung einen Piezokristallwandler auf, wobei sämtliche Wandler in dem Tintenvorratsbehälter angeordnet sind,· und zwar benachbart zur zugeordneten Düse. Diese Wandler sind somit allseitig von Tinte umgeben.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Txntenstrahlmatrixdrucker zu schaffen, der einfach ausgebildet ist und bei dem der Einfluß eines betätigten Wandlers auf die den anderen Wandlern zugeordneten Düsen weitgehend ausgeschaltet ist, so daß eine hohe Druckqualität erzielbar ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Druckkopf mehrere mit Tinte gefüllte, trichterförmige Hohlräume aufweist, von denen ein jeder an seinem Ende mit kleinerem Durchmesser düsenförmig ausgebildet ist und an seinem anderen Ende mit größerem Durchmesser von einer Membran abgeschlossen ist, die mit einem piezoelektrischen Kristallwandler in Wirkungsverbindung steht, daß jeder Hohlraum mit einem Zwischenspeicher über je eine Leitung von geringem Durchmesser und hohem Widerstand für die Flüssigkextsdruckwellen verbunden ist, wobei dieser Zwischenspeicher zur Aufrechterhaltung eines im wesentlichen konstanten Flüssigkeitsdruckes bei der Übertragung von Flüssigkeitswellen durch diese Leitungen eine Kammer für die Aufnahme einer Luftblase aufweist und an einem einen im wesentlichen konstanten Druck erzeugenden Tintenvorratsbehälter angeschlossen ist.

Weitere Merkmale der Erfindung sind den Ansprüchen zu entnehmen.

Einzelheiten der Erfindung sind nachstehend anhand von in den Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 in schaubildlicher Darstellung einen mehrere

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Düsen aufweisenden Druckkopf mit den zugeordneten Tintenversorgungseinrichtungen,

Fig. 2 einen Schnitt durch die Vorrichtung nach Pig. I

entlang der Ebenen 2-2,

Fig. 3 einen Schnitt durch eine andere Ausführungsform

des Druckkopfes und

Fig. 4 einen Schnitt durch eine andere Ausführungsform

der Verbindung von Tintenkassette und Versorgungsleitung.

Die Tintenkassette 10 (Fig. 1) ist mittels der Versorgungsleitung 11 mit dem Verteiler 12 verbunden, der einen Vorratsbehälter für die Tinte, die mehrere Düsen 13 des Druckkopfes 14 benötigen, darstellt.

Der Druckkopf 14 enthält mehrere piezoelektrische Kristallwandler 15, Kammern 18 und Kanäle 19. Die Wandler 15 bestehen aus einem keramischen Kristall mit der Membran 17 und den elektrischen Leitungen 16, die der Übersichtlichkeit halber abgebrochen dargestellt sind» Jeder Wandler 15 ist mittels Zement mit der von einer Messingscheibe gebildeten Membran 17 verbunden und dient der Verkleinerung des Volumens der Kammern 18 innerhalb des Druckkopfes 14 in iifoereinstimmung mit auf den elektrischen Leitungen 16 auftretencleji Gleichstromimpulsen«

Jede Kammer 18 bildet einen Teil eines Hohlraumes 21, der in einen Kanal 19 übergeht, der in einer Düse 13 endet, wobei der kleinste Innendurchmesser an der Düse 13 vorhanden ist. Vorzugsweise sind etwa 7 bis 13 Düsen 13 in vertikaler Richtung voneinander beabstandet und möglicherweise in horizontaler Richtung abgestuft, im Druckkopf 14 angeordnet. Die Vertikalteilung kann etwa 2,54 mm bei geringfügiger seitlicher Abweichung betragen und der Durchmesse*· ca, 0,0.25 bis O_M 15 ran.

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Die Kammern 18 werden über die Röhrchen 22 mit Tinte versorgt und verbinden die Innenseite des Druckkopfes mit der Außenseite. An diese Röhrchen 22 sind Schläuche 23 angeschlossen, die zu dem Verteiler 12 führen. Die Schläuche 23 und der Verteiler 12 versorgen den Druckkopf 14 mit sauberer, blasenfreier Tinte.

Die Hohlräume 21 bilden Kammern 18, Kanäle 19 und die Düsen 13 und sind mit Tinte von geeigneter Viscosität gefüllt, so daß die Oberflächenspannung die Tinte hindert, die Düsen 13 zu verlassen, wenn die Wandler 15 nicht aktiv sind. Andererseits wird bei elektrischer Erregung eines Wandlers 15 eine Flüssigkeitswelle erzeugt, die sich durch den Hohlraum der Kammer 18, ihres Kanalee 19 und ihrer Düse 13 infolge der Verbindung des Röhrchens 22 mit dem Hohlraum 21 fortpflanzt. Wenn ein kurzer, elektrischer Impuls von Rechteckform den Wandler erregt, preßt die Flüssigkeitswelle etwas Tinte aus der Düse 13. Die Tinte wird gegen das zu bedruckende Papier 25 gesprüht und benetzt dasselbe. Vorzugsweise ist das Papier ca. 0,05 mm bis 0,2 mm von der Düse 13 entfernt. Wenn der Erregungsimpuls am keramischen Kristall 20 abgeflaut ist, nimmt die Membran 17 ihre normale Form ein, wobei das Volumen der Kammer 18 bis zu seiner ursprünglichen Größe zunimmt, und somit Tinte in die Kammer 18 aus dem Röhrchen 22 und der Düse 13 über den Kanal 19 gesaugt wird. Die Saugwirkung in der Düse 13 verursacht ein Abreißen des in Berührung mit dem Papier 25 stehenden Tintentropfens und ein Zurückbewegen der restlichen Tinte innerhalb des KanaIes 19 in Richtung auf die Kammer 18. Dadurch wird ein feiner Tintenpunkt auf dem Papier 25 erzeugt. Ein Feld derartiger Punkte (z.B. aus sieben Düsen) 1st für den Punktmatrixdruck verwendbar. Es kann auch Tinte aus der Düse 13 auf ein Papier gespritzt werden, das weiter von der Düse als oben beschrieben, entfernt ist. In diesem letzteren Falle muß eine größere Triebkraft für die Flüssigkeit vorgesehen werden.

Das Röhrchen 22 füllt den erschöpften Tintenvorrat im Hohlraum 21 wieder auf. Die Kanäle 19 laufen von der Düse 13 kommend,

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kurvenförmig und konvergierend, um einerseits an ihrem anderen Ende Platz für die Anordnung der Wandler 15 zu schaffen und andererseits die Düsen 13 so nah wie möglich voneinander beabstanden zu können.

In der Zeichnung ist der besseren Erkennbarkeit halber ein Druck- · kopf 14 mit nur zwei Hohlräumen 21 dargestellt, obwohl die Praxis mehr Hohlräume, beispielsweise sieben oder acht, erfordert. In •so einem Falle ist ein Tintenverteilungssystem erforderlich, das die Tinte auf alle Hohlräume aufteilt.

Es hhaben sich jedoch Probleme bei der gemeinsamen Tintenversorgung gezeigt, da die durch die Wandler 15 erzeugten Wellen durch die Röhrchen 22, die Schläuche 23 und die Röhrchen 24 in den Verteiler selbst übertragen werden. Ein gewöhnliches Tintenversorgungssystem könnte diese Wellen verschiedentlich durch die Schläuche 23, usw. anderen Hohlräumen zuführen, wodurch ein Ausspritzen von Tinte aus einer Düse'13 erfolgen könnte, deren Wandler 15 nicht erregt ist.

Das Versorgungssystem der Fign. 1 und 2 enthält lange und dünne Schläuche 23, mit einem Innendurchmesser von beispielsweise 0,5 oder 1,5 mm, die einen Fluß von bedeutender Tintenmenge verhindern und versuchen, die Höhe der in den Verteiler 12 gelangenden Wellenenergie herabzusetzen. Die Röhrchen 24 weisen einen Innendurchmesser von nur ungefähr 0,3 mm bis 0,76 mm auf, wodurch der Flußwiderstand heraufgesetzt wird.

Zusätzlich erhält der Verteiler 12 an seiner Spitze einen Luftblaseneinschluß 26, der die Druckschwankungen innerhalb des Verteilers 12 reguliert. Somit werden inkompressible Flüssigkeitsdruckwellen durch Kompression des Luftvolumens des Einschlußes 26 absorbiert. Die Rohrleitung 45 besitzt einen relativ großen Innendurchmesser von ca. 3,18 mm und ist mit einer konstanten Druckquelle für die Tinte mit einer relativ niedrigen Dämpfung verbunden, die ein aufblasbarer Tintensack 30 verkörpert. Die Tinte

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in diesem Tintensack 30 strahlt keine Wellen zurück, vergrößert jedoch einfach zeitweise sein Volumen. Somit werden die Flüssigkeitswellen in ihrer Intensität oder Amplitude abgeschwächt aufgrund der Reflexion der Luftblase im Einschluß 26 und infolge des Tinfenflußes in den Tintensack 30 hinein, ^o daß geringe Energie in die Schläuche 23 zurückfließt. Im allgemeinen erzeugen die Wellen keinen Nebendruck, wenn der Verteiler einen Raum enthält, in dem sich der Tintenüberfluß von den Schläuchen 23 weg bewegen kann, ohne Luft zuzuführen.

Es wird somit ein Nebendruck effektiv ohne die Verwendung irgendwelcher Steuerventile verhütet.

Eine andere Funktion des Lufteinschlußes 26 besteht darin, Luftblasen zu sammeln und zu verhüten, daß dieselben beim Durchlauf der Tinte durch das System bis in den Druckkopf 14 in der Tinte oder in den Schläuchen und im Verteiler Luftblasen bilden. Wenn im Einschluß 26 übermäßig Luft angesammelt ist, kann dieselbe manuell durch teilweises ausschrauben des Verschlußes 27, der oberhalb des Einschlußes im Verteiler 12 angeordnet ist und denselben mittels des Dichtungsringes 28 normalerweise abdichtet, abgelassen werden. Es besteht auch die Möglichkeit, statt dessen ein Schwimmerventil vorzusehen, um das Luftvolumen der Luftblase zu steuern.

Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform eines Tintenverteilungssystemes, in welchem der Verteiler 130 sich innerhalb des Druckkopfes 114 befindet. Der Verteiler 130 ist über sehr dünne Kanäle 160 von einem Durchmesser von 0,13 mm und einer Länge von beispielsweise 3,18 mm mit den Kammern 118 verbunden. Vorzugsweise, sollte das Verhältnis von Durchmesser zu Länge, k - ^UUiV'^ul"^COBCJ·

Länge sein. Die Kammern 118 der Hohlräume 121 enthalten je einen Kanal 119 und eine Düse 113. Am großvolumigen Ende der Kammer 118 ist der Wandler 115 eingesetzt, über das kurze Röhrchen 122 von großem Durchmesser, beispielsweise von 3,18 mm ist der Verteiler 130 mit der Tintenkassette 10 (nicht gezeigt) verbunden, wodurch

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die Druckeinstellung erfolgt. Es ist wichtig, daß der Flußwiderstand der Kanäle 160 wesentlich größer als der Widerstand des Röhrchens 122 ist. -

Der Druckkopf 14 oder 114 ist quer über das zu bedruckende Papier 25, das an einem nicht bewegbaren Druckwiderlager anliegt, verschiebbar. Der Druckkopf 114 benötigt für seine Verbindung mit der Tintenkassette 10 lediglich einen einzigen Schlauch 123, wohingegen der Druckkopf 14 für diese Verbindung mehrere Schläuche 23 benötigt,

Bei dem oben erwähnten System ist es notwendig, daß der statische Druck des Tintenvorrats nahe bei einem konstanten Wert gehalten wird, trotz des Variierens der vom Tintenvorrat geforderten Tintenmenge, so daß der statische Druck an der Düse 13 unabhängig von der zur Verfügung stehenden Tintenmenge ist.

In den Fign. 1 und 2 enthält die Tintenkassette 10 den aufblasbaren Tintensack 30, der vollständig mit Tinte gefüllt ist und hermetisch abgedichtet ist, um die Tinte vor Luft und vor Verschmutzung zu schützen.

Die innerhalb des Tintensackes 30 angeordnete Hülse 31 weist unterhalb, ihres Ringsteges 32 das Außengewinde 33 auf, das durch den Tintensack 30 hindurch ragt. Der Ringsteg 32 liegt an der Innenseite des Tintensackes 30 an, dessen andere Seite in diesem Bereich auf der Dichtungsscheibe 34 aufliegt, die ihrerseits auf der Grundplatte 35 liegt. Die auf das Außengewinde 33 aufgeschraubte Gewindemuffe 36 drückt die Grundplatte 35 gegen den Ringsteg 32, so daß mit Hilfe der Dichtungsscheibe 34 eine wirksame Abdichtung entsteht. Die Hülse 31 ist im wesentlichen zylindrisch, und bietet mit ihrer Hülsenbohrung 40 der Tinte und der Hohlnadel 41 Durchlaß. Durch die Vertikalschlitze 37 kann die Tinte in die Hülsenbohrung 40 gelangen, sogar dann, wenn der Tintensack 30 im wesentlichen leer, ist und durch sein Zusammengefallensein größtenteils an den Wänden der Hülse 31 anliegt.

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Die Hülse 31 verhindert, daß der Tintensack 30 in vertikaler Richtung zusammenfällt, um einen konstanten Tintendruck, sowohl im Verteiler 12, als auch im übrigen System aufrechtzuerhalten.

Zwischen der Gewindemuffe 36 und der unteren Ringfläche der Hülse 31 befindet sich die Abdichtung 42 aus einem pharmazeutischen Elastomer, die geeignet ist, für eine Selbstabdichtung mit der Hohlnadel 41. Diese Hohlnadel 41 wird von der Tragplatte 38, auf welcher sich die Tintenkassette 10 befindet, aufgenommen, wobei die Gewindemuffe 36 in das Aufnahmeloch 43 der Tragplatte 38 ragt. Die Hohlnadel 41 erstreckt sich durch den Rohrstutzen 44 hindurch. Die Rohrleitung 45 ist über den Rohrstutzen 44 abdichtend gestülpt. Die Rohrleitung 45 ist an ihrem anderen Ende auf das Einlaßröhrchen 46 des Verteilers 12 geschoben.

Das obere Ende 47 der Hohlnadel 41 erstreckt sich nach oben in den Bereich des Aufnahmeloches 43, ist aber gegenüber der Oberfläche der Tragplatte 38 soweit zurückgesetzt, um die Wahrscheinlichkeit einer Verletzung der Finger der Bedienungsperson bei von der Tragplatte 38 entfernter Tintenkassette 10 zu vermeiden.

Mit diesem System wird ein konstanter statischer Tintendruck aufrechterhalten, ohne bewegbare Teile außer dem aufblasbaren Tintensack zu verwenden.

Der transparente Deckel 48 (mit dem Entlüftungsloch 49 zum Druckausgleich innerhalb des Deckels) gestattet eine visuelle Kontrolle des Tintenvorrates und somit die Bestimmung des Austausches der Tintenkassette 10.

Durch überziehen der Hülse 31 mit einem Filtermaterial wird die Tinte vor ihrem Eintritt in die Hülsenbohrung 40 gefiltert. Eine Alternative bildet der Ersatz der Hülse 31 durch einen Filter.

Wenn die Tintenkassette 10 für längere Zeit von der Tragplatte 38 abgenommen ist, wird der Eintritt von Luft oder Schmutz in die

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Düsennadel durch Aufsetzen eines Deckels verhindert.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 nimmt die Hülse 131 die Hohlnadel 141 derart auf, daß sie mit ihrer Hülsenbohrung 140 im Bereich des Kupplungsendes 133 den erweiterten Teil 50 der Hohlnadel 141 umschließt, wobei die Hohlnadel 141 sich von ihrem erweiterten Teil 50 nach unten erstreckt. Die Verbindung mit der zum Verteiler führenden Rohrleitung 145 geschieht durch einfaches Einschieben der Hohlnadel in das selbstabdichtende Ende der Rohrleitung 145. Die Abdichtung erfolgt dadurch, daß das nach Art eines Ringmuskels wirkende Endteil 51 der Rohrleitung 145 sich fest um die Hohlnadel 141 schließt.

Vorzugsweise wird eine auf der Basis von Wasser zusammengesetzte Tinte verwendet, die eine mittlere Oberflächenspannung aufweist, von ungefähr 30-35 dyn/cm. Die Viscosität ist niedrig, und zwar in der Größenordnung von 1-2 Centipoise.

Der transparente Deckel 48 besteht aus Plexiglas. Der Tintensack 30 ist aus einer dünnen Polyterephtalsäureglykolester-Folie hergestellt, die eine niedrige Permeabilität und eine hohe Flexibilität aufweist. Die Hohlnadel besteht aus nichtrostendem Stahl, der Verteiler und die Gewindemuffe aus Kunststoff und die Schläuche 23 aus Polyvinylfluorid.

Die Spitze des Tintensackes befindet sich ungefähr 25,4 bis 12,7 mm über der Hohlnadel.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Tintenstrahlmatrixdrucker, mit einem Piezokristallwandler pro Druckdüse, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckkopf (14 bzw. 114) mehrere mit Tinte gefüllte, trichterförmige Hohlräume (21 bzw. 121) aufweist, von denen ein jeder an seinem Ende mit kleinerem Durchmesser düsenförmig ausgebildet ist und an seinem anderen Ende mit größerem Durchmesser von einer Membran (17) abgeschlossen ist, die mit einem piezoelektrischen Kristallwandler (15 bzw· 115) in Wirkungsverbindung steht, daß jeder Hohlraum (21 bzw. 121) mit einem gemeinsamen Zwischenspeicher (12 bzw. 130) über je eine Leitung (22, 24 bzw. 160) von geringem Durchmesser und hohem Widerstand für die Flüssigkeitsdruckwellen verbunden ist, wobei dieser Zwischenspeicher (12 bzw. 130) zur Aufrechterhaltung eines im wesentlichen konstanten Flüssigkeitsdruckes bei der Übertragung von Flüssigkeitswellen durch diese Leitungen eine Kammer (26) für die Aufnähme einer Luftblase aufweist und an einem einen im wesentlichen konstanten Druck erzeugenden Tintenvorratsbehälter (10) angeschlossen ist.

2. Tintenstrahlmatrixdrucker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Hohlraum (21) aus einem konischen Kanal (19) , der einerseits in der Düsenöffnung (1.3) endet und aus einer Kammer (18) besteht, in welche der Kanal (19) mit seinem, den größeren Durchmesser aufweisenden Ende mündet.

3. Tintenstrahlmatrixdrucker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Kammer (18) im Druckkopf (14) über je ein Röhrchen (22) mit je einem Schlauch (23) in Verbindung steht, und daß sämtliche Schläuche (23) an den gemeinsamen Zwischenspeicher (12) angeschlossen sind.

4. Tintenstrahlmatrixdrucker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Kammer (118) im Druckkopf (114) über je

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einen Kanal (160) mit dem ebenfalls im Druckkopf (114) angeordneten Zwischenspeicher (130) in Verbindung steht.

Tintenstrahlmatrixdrucker nach den Ansprüchen 1 und 3, oder 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (18 bzw. 118) konisch ausgebildet ist und in ihre den größeren Durchmesser aufweisende Stirnfläche die Membran (17) in Form einer Messingscheibe eingesetzt ist, die mit dem Piezokristall (20) mittels Zement verbunden ist, und daß das in den Zwischenspeicher (12 bzw. 130) führende Röhrchen (22) bzw. Kanal (160) in die Mantelfläche der Kammer (18 bzw. 118) mündet.

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