DE2428309A1

DE2428309A1 - Druckvorrichtung

Info

Publication number: DE2428309A1
Application number: DE19742428309
Authority: DE
Inventors: Cambridgeshire Cambridge; David Patrick Hunt; Graeme Sutherland Minto; Anthony David Paton; Adrian Anthony Pollock; Roger John Rowland
Original assignee: Imperial Chemical Industries Ltd
Current assignee: Imperial Chemical Industries Ltd
Priority date: 1973-06-13
Filing date: 1974-06-12
Publication date: 1975-01-16
Also published as: BE816305A; IT1046651B; CS172279B2; GB1464370A; JPS5054632A; DD115070A6; NL7407894A

Description

Priorität; 13. Juni 1973, GROSSBRITAMIEN Nr. 28168/73

Zusatz zur Pa ten tanmeldung P 21 42 639.1 und P 23 33 629.0

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für den Druck von Zeichen bzw. Mustern, insbesondere zum Bedrucken einer Fläche während ihrer Relativbewegung zur Vorrichtung durch Ablagerung aufeinanderfolgender Reihen von nehe beieinander angeordneten Tröpfchen, welche sich quer zur Richtung der Relativbewegung erstrecken.

Die Patentanmeldung P 21 42 639.1 betrifft eine Vorrichtung

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für den Druck von Zeichen bzw. Mustern während einer Relativbewegung zwischen der Vorrichtung und einer zu bedruckenden Fläche mittels Ablagerung von kleinen Tröpfchen einer Druckflüssigkeit in aufeinanderfolgenden Reihen oder Zeilen von nahe beieinander angeordneten Tröpfchen, welche sich quer zur Richtung der Relativbewegung erstrecken, mit einer Reihe von Druckdüsen, welche quer zur Richtung der Relativbewegung angeordnet sind, von denen jede einen Düsenabschnitt und eine Druckflüssigkeitszuführeinrichtung für die Zufuhr der Flüssigkeit zum Düsenabschnitt unter Druck zur Ausbildung eines auf die zu bedruckende Fläche in der Vorrichtung gerichteten Strahls von Druckflüssigkeit aufweist, mit Einrichtungen, welche in regelmässigen Abständen befindliche QuerSchnittsänderungen des Strahls zur Förderung der Tropfchenbildung schaffen, mit Aufladungselektroden, welche neben der Stelle des Strahlwegs angeordnet sind, an welcher die Tropfchenablösungf unr&ifr in dem Strahlweg geformten Tröpfchen aufzuladen, mit Ablenkeinrichtungen für die Tröpfchen, um ein im wesentlichen konstantes elektrisches Feld zu schaffen, durch welches die im Strahlweg gebildeten Tröpfchen durchlaufen, wodurch die elektrisch aufgeladenen Tröpfchen in einem von ihrer jeweiligen Aufladung abhängigen Ausmass abgelenkt werden, undmit einer Auffangeinrichtung zum Auffangen der im Strahlweg gebildeten nicht aufgeladenen Tröpfchen, dadurch gekennzeichnet, dass Signalerzeugungseinrichtungen vorgesehen sind, welche ein periodisches Spannungssignal zum Anlegen an die Aufladungselektroden schaffen, dessen Perioden eine ausreichende Zeitdauer besitzen, um die Bildung einer Vielzahl von Tröpfchen in jedem Strahlweg zu erfassen, dass eine elektrische Einrichtung vorgesehen ist, durch welche die Signalspannung mit vorbestimmten Spannungspegeln während jeder Periode der Signalspannung an die Aufladungselektroden wenigstens einiger der Druckdüsen anlegbar ist, wodurch

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in dem Strahlweg der Druckdüsen gebildete Tröpfchen aufgeladen werden, und dass die aufgeladenen Tröpfchen von jeder Druckdüse dadurch auf der zu bedruckenden !Fläche in der Länge eines Zeilenabschnitts abgelagert werden, wobei die Zeilenabschnitte der Druckdüsen somit zusammen mit einer Reihe von Tröpfchen gebildet werden, welche sich quer zur Richtung der Relativbewegung der Vorrichtung und der zu bedruckenden Fläche erstreckt.

Die deutsche Patentanmeldung P 25 55 629.0 betrifft eine Abwandlung der obigen Vorrichtung, bei welcher nicht die im Strahlweg vorhandenen ungeladenen Tröpfchen durch die Auffangeinrichtung aufgefangen werden, sondern diejenigen Tröpfchen, die durch die Aufladungselektroden auf mindestens einen vorbestimmten Wert aufgeladen worden sind.

Bei der in den obigen Anmeldungen beschriebenen Vorrichtung besitzt jede Reihe von Druckdüsen einen Verteilungskopf, der die erforderliche Anzahl von Düsen8bschnitten aufweist, wobei die Düsenabschnitte einer jeden Reihe in einem Gehäuse sitzen, auf dessen Oberseite der Verteilungskopf der betreffenden Reihe angeordnet ist. Jeder der Verteilungsköpfe wird mit einer Druckflüssigkeit anderer Farbe unter Druck gespeist, so dass ein Druckflüssigkeitsstrahl aus einem jeden der Düsenabschnitte, der mit dem-betreffenden Verteilungskopf verbunden ist, austritt. Um in regelmässigen Abständen befindliche Querschnittsänderungen in einem jeden der Druckflüssigkeitsstrahlen zu schaffen, um die Tröpfchenbildung zu fördern, sind benachbarte Paare der obigen Gehäuse und Verteilungsköpfe an Teilen befestigt, die von einem piezoelektrischen Schwinger getragen werden. Durch Speisung des piezoelektrischen "Schwingers werden den Gehäusen und damit den in den Gehäusen vorhandenen Düsenabschnitten Schwingungen erteilt, so dass in dem aus jedem Düsenabschnitt austretenden Druckflüssigkeitsstrehl

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Schwingungen erzeugt werden, die Veränderungen im Querschnitt eines jeden Druckflüss igkei ts Strahls hervorrufen, so dass jeder Strahl in einen Strom von Tröpfchen auseinanderfällt. Diese Anordnung besitzt jedoch den Nachteil, dass jede Reihe der Druckdüsen insgesamt in Schwingung versetzt wird, was Unregelmässigkeiten im Querschnitt zwischen den einzelnen Strahlen in einer jeden Reihe zur Folge hat, so dass das Zerlegen des Strahls in Tröpfchen ausser Phase gerät, was Unregelmässigkeiten im erhaltenen Muster auf der zu bedruckenden Oberfläche zur Folge hat. _r

Dieser Nachteil kann dadurch beseitigt werden, dass man eine jede Reihe von Druckdüsen, welche aus einem Verteilungskopf und dem die Düsenabschnitte enthaltenden Gehäuse besteht, in starrer Weise anordnet und d8ss man einen Teil der Wandung eines jeden Verteilungskopfs und/oder Gehäuses aus ein oder mehreren piezoelektrischen Kristallen herstellt oder dass man einen Teil der Wandung eines jeden Verteilungskopfs und/oder Gehäuses aus ein oder mehreren undurchlässigen Membranen herstellt, von denen jede an der äusseren Oberfläche mit einem piezoelektrischen Kristall in Kontakt steht, so dass die Druckvariationen direkt 8uf die Druckflüssigkeit übertragen werden.

Gegenstand der Erfindung ist also eine Weiterbildung der in den Patentanmeldungen P 21 42 639-1 und P 23 33 629-0 beschriebenen Vorrichtung, wobei das Kennzeichen darin liegt, dass jede Reihe von Druckdüsen sus einem starr befestigten Verteilungskopf und die Düsenab3chnitte enthaltenden Gehäuse besteht und dass Einrichtungen zum Anlegen von Druckänderungen direkt oder über eine undurchlässige Membrane an die in einer jeden Reihe von Druckdüsen enthaltene Druckflüssigkeit vorgesehen sind.

Die Druckänderungen können mit Hilfe einer magnetostriktiven

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Einrichtung erzeugt werden, die einen Teil einer Wandung des Gehäuses für die Düsenabschnitte bildet oder die mit einer undurchlässigen Membrane in Kontakt ist, welche selbst einen Teil der Wandung des Gehäuses für die Düsenabschnitte bildet. Ein Beispiel für eine derartige magnetostriktive Einrichtung ist ein Nickelkern in einer Magnetspule.

Vorzugsweise werden die Druckänderungen direkt auf die Druckflüssigkeit angelegt, indem ein Teil einer Wandung einer Jeden Reihe von Druckdüsen, wobei "es sich vorzugsweise um einen Teil einer Wandung des Gehäuses für die Düsenabschnitte handelt, aus einem piezoelektrischen Kristall hergestellt wird, wobei sich dieser jedoch auch mit einer undurchlässigen Membrane in Kontakt befinden kann, welche selbst einen Teil der Wandung einer Jeden Reihe 'von Druckdüsen bildet. Dabei ist die Membrane vorzugsweise ein Teil einer· Wandung des Gehäuses für die Düsenabschnitte. Wenn der piezoelektrische Kristall oder die piezoelektrischen Kristalle unter Druck versetzt wird bzw. werden, dann werden Druckänderungen direkt auf die in einer jeden Reihe von Druckdüsen vorhandene Druckflüssigkeit und damit auch auf den Druckflüssigkeitsstrahl, der aus jedem Düsenabschnitt in der Reihe austritt, angelegt. Da die Druckänderungen direkt 8uf die Druckflüssigkeit·" angelegt werden, sind Unregelmassigkeiten in den Querschnitten der verschiedenen Strahlen einer Reihe minimal. Damit gleiche Druckänderungen auf die Druckflüssigkeit über die gesamte Länge einer jeden Reihe von Druckdüsen angelegt werden, wird es bevorzugt, dass der piezoelektrische Kristall'oder die piezoelektrischen Kristalle sich im wesentlichen über die gesamte Länge einer jeden Reihe von Druckdüsen erstreckt bzw. erstrecken. Um jedoch Resonanzen innerhalb des Systems zu vermeiden, ist es ratsam, dass die Länge eines jeden piezoelektrischen Kristalls un-

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gefähr 2 cm nicht überschreitet.

In der Folge wird nunmehr eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemässen Reihe von Druckdüsen unter Bezugnahme auf■die Figuren 1 und 2 der beigefügten Zeichnungen beschrieben, worin Figur 1 einen Längsschnitt durch die Druckdüsenreihe darstellt und Figur 2 einen Querschnitt an der Linie X-X von Figur 1 darstellt.

Die Druckdüsenreihe besteht aus einem Gehäuse 1 mit der erforderlichen Anzahl von Düsenabschnitfen 2, wobei an der Oberseite des Gehäuses ein Verteilungskopf 3 angeordnet ist, der über ein Rohr 4- mit einer (nicht gezeigten) Quelle für Druckflüssigkeit verbunden ist. Die obere Oberfläche des Verteilungskopfs 3 besteht aus einem piezoelektrischen Kristall 5, wobei die Abstände zwischen den Rändern des piezoelektrischen Kristalls und den Wandungen des Verteilungskopfs mit einem Klebstoffgemisch verschlossen sind, um einen Austritt von Druckflüssigkeit zu verhindern. Ein Jeder Düsenabschnitt 2 ist direkt mit dem Verteilungskopf 3 verbunden, so dess Druckflüssigkeit, die in den Verteilungskopf 3 durch das Rohr 4· eintritt, aus einem jeden Düsenabschnitt in Form eines Strahls austritt. Wenn der pizeoelektrische Kristall 5 mit Energie versorgt wird, dann werden Druckänderungen in der im Verteilungskopf 3 enthaltenen Flüssigkeit und auch in einem ,jeden aus den Düsenabschnitten 2 austretenden Strahl hervorgerufen, so dass regelmässige Änderungen im Querschnitt eines Jeden der Strehlen auftreten, wodurch die Strahlen nachfolgend in einen Strom von Tröpfchen unterteilt werden.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform wird nunmehr anhand der Figuren 3 und 4- der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, worin Figur 3 einen Längsschnitt durch die Druckdüsenreihe darstellt und Figur 4· einen Querschnitt an der

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Linie Y-Y von Figur 3 darstellt.

Die Druckdüsenreihe besteht aus einem Gehäuse 10, das in einzelne Kammern 11 unterteilt ist, von denen jede eine einzige Druckdüse umfasst, wobei die untere Hälfte den Düsenabschnitt 2 enthält und die obere Hälfte hohl ist und über ein Rohr 12 mit einem Verteilungskopf 13 verbunden ist. Die obere Oberfläche einer Jeden der Kammern 11 besteht aus einem piezoelektrischen Kristall 14, der in die Seitenwandungen einer jeden Kammer einzementiert ist, um einen Verlust von Druckflüssigkeit zu verhindern. Ein jeder Düsenabschnitt 2 ist direkt mit-dem hohlen Teil der Kammer 11 verbunden. Druckflüssigkeit tritt in den hohlen Teil einer jeden der Kammern 11 durch den Verteilungskopf 13 und das Rohr 12 ein und tritt dann aus den Düsenabschnitten 2 in Form eines Strahls aus. Wenn die piezoelektrischen Kristalle 14 unter Energie versetztewerden, dann entstehen in der im hohlen Teil:, einer jeden der Kammern enthaltenen Druckflüssigkeit und auch in den aus den Düsenabschnitten 2 austretenden Strahlen Druckänderungen,wodurch regelmässige Änderungen in den Querschnitten eines jeden der Strahlen erzeugt werden, so dass jeder Strahl in einen Strom von Tröpfchen aufgelöst wird.

Eine noch andere bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemässen Druckdüsenreihe wird nun anhand der Figuren 5 und 6 der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, worin Figur 5 einen Längsschnitt durch die Druckdüsenreihe darstellt und Figur 6 einen Querschnitt an der Linie Z-Z von Figur 5 darstellt.

Die Druckdüsenreihe besteht aus einem Gehäuse 20, das in einzelne Kammern 21 unterteilt ist, von denen jede eine einzige Druckdüse darstellt, deren untere Hälfte den Düsenabschnitt 2 enthält und deren obere Hälfte hohl ist

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und durch, ein Rohr 12 mit einem Verteilungskopf 13 verbunden ist. Jeder Düsenabschnitt 12 ist direkt mit dem hohlen Teil der Kammer 21 verbunden. Die Oberseite einer jeden der Kammern wird durch eine undurchlässige Membrane 22 gebildet, wobei auf jeder der undurchlässigen Membranen 22 ein piezoelektrischer Kristall 23 befestigt ist. Wie bei der vorher beschriebenen Vorrichtung betritt Druckflüssigkeit den hohlen Teil einer jeden der Kammern 21 über den Verteilungskopf 13 und das fiohr 12 und tritt dann aus der Düse 2 in Porm eines Strahls aus. Wenn die piezoelektrischen Kristalle 23 unter Energie -versetzt werden, dann entstehen Druckänderungen, die durch die undurchlässige Membrane auf die im hohlen Teil einer jeden der Kammern 21 vorhandenen Druckflüssigkeit und damit auch 8uf jeden der aus den Düsenabschnitten 2 austretenden Strahlen übertragen wird, wodurch regeltnässige Änderungen in den Querschnitten eines jeden Strahls entstehen, so dass jeder der Strahlen nachfolgend in einen Strom von Tröpfchen aufgelöst wird.

Diese besonders bevorzugten erfindungsgemässen Ausführungsformen, die einzelne Kammern aufweisen, besitzen gegenüber der vorhergehenden Ausf uhrungsform,"-die nur eine einzige Kammer aufweist, an welche alle Düsenabschnitte angeschlossen sind, insofern Vorteile, als die Bildung von stehenden Wellen in der Druckflüssigkeit und/oder der Struktur vermieden wird, so dass Unterschiede in der Amplitude und in den Phasen der Druckänderungen zwischen den einzelnen Düsenstrahlen beseitigt werden.

Um das Auflösen des Druckflüssigkeitsstrahls in Tröpfchen zu unterstützen, wird es bevorzugt, dass jeder piezoelektrische¹ . Kristall „ die Form eines Eesonators hsben, der mit der Druckflüssigkeit oder der undurchlässigen Membrane, welche selbst mit der Druckflüssigkeit in Be-

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rührung steht, in Kontakt ist; Eine solche Anordnung stellt ein weiteres Merkmal der Erfindung dar.

Ein derartiger Resonator kann zweckmässig dadurch erhalten werden, dass man den piezoelektrischen Kristall mit einem Belastungsstab verlängert, der vorzugsweise aus Metall besteht, so dass das kombinierte Bauteil bei der Modulationsfrequenz die Resonanzlänge besitzt. Um jedoch den maximalen Effekt zu erzielen, ist es nötig, dass die folgende Beziehung zwischen dem Belastungsstab und dem piezoelektrischen Kristall eingehalten wird:

^F2 ^A2 ^V2 . . 2 TT Im χ tan 2TT

——————— a uan —— ι __—.

P₁ A₁ V_r Λ1 Λ 2

worin P₁ die Dichte des- für das Gewicht verwendeten Materials ist,

- ' p£ die Dichte des piezoelektrischen Kristalls ist, A₁ die Querschnittsfläche des Belastungsstabs ist, A₂ die Querschnittsfläche des piezoelektrischen Kristalls ist,

V₁ die Schallgeschwindigkeit im Belastungsstab ist, Vo die Schallgeschwindigkeit im piezoelektrischen ^; Kristall ist,

L₁ die Höhe des Belastungsstabs ist, '<- Lo die Höhe des piezoelektrischen Kristalls ist, j ^₁ die Wellenlänge des Schalls in dem für den Be- · '■ lastungsstab verwendeten Material ist, und . ' w die Wellenlänge des S_challs im piezoelektrischen Kristall ist.

Der Resonator wird so befestigt, dass die Resonanzachse längs der Richtung der Bildung des Strahls -liegt, so dass· ein guter

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akustischer Kontakt mit der Druckflüssigkeit oder der undurchlässigen Membrane besteht. Ein solcher Kontakt kann durch Druck auf dem Resonator unterstützt werden, der beispielsweise mit Hilfe einer Feder oder eines elastischen Pfropfs erzielt werden kann.

Eine Druckdüse, die einen druckbelasteten piezoelektrischen Kristall aufweist, wird nun anhand der Figur 7 der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, die einen Schnitt durch die Druckdüse zeigt.

Die Druckdüse besitzt ein Gehäuse 30, das eine Ausnehmung

31 aufweist, welche am unteren Ende . in-einem Düsenabschnitt

32 endet. Ein Durchgang 33 verbindet die Ausnehmung 31 mit einem Verteilungskopf 34-, der selbst an eine (nicht gezeigte) Quelle für Druckflüssigkeit angeschlossen ist. Der obere "Teil des Gehäuses 30 trägt einen Flansch 35- Mit Hilfe von Schrauben 36, die durch den Flansch 35 hindurchgehen, ist das Gehäuse an einem isolierten Block 37 befestigt, der eine zylindrische Bohrung 42 aufweist, wobei die zylindrische Bohrung 42 direkt über der Ausnehmung 31 angeordnet ist. Innerhalb der zylindrischen Bohrung befindet sich eine undurchlässige Membrane 38, die auf die Oberseite des Gehäuses 30 aufgedichtet ist, so dass die Oberseite der Ausnehmung 31 abgeschlossen ist. Innerhalb der zylindrischen Bohrung 42 und über der undurchlässigen Membrane 38 befinden sich ein piezoelektrischer Kristall und ein Metallstab 40, der mit dem piezoelektrischen Kri- ' stall in direkter Verbindung steht. Der obere Teil des Metallstabs 40 besitzt einen kleineren Durchmesser als der untere Teil, so 'dass ein Metallrohr 4Ί zwischen die zylindrische Bohrung 42 und dem oberen Teil des Metallstabs 40 eingeschoben werden kann und auf der Schulter ruht, die durch die verschiedenen Durchmesser im oberen und unteren Teil des Stabs gebildet wird. Die Lage dieser

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Schulter ist derart, dass die Resonanzgeschwindigkeit des Systems (d.h. der Kombination aus piezoelektrischem Kristall und Metallstab) an diesem Punkt Null oder nahezu Hull ist. Ein isolierter Stopfen 43 sitzt auf der Oberseite des Metallrohrs 4-1, so dass ein Luftraum zwischen dem Boden des Stopfens und der. Oberseite des Metallstabs 4-0 gebildet wird. Der Stopfen wird durch eine Schraube 44· festgehalten, die in ein Gewinde in der Oberseite des isolierten Blocks 37 eingeschraubt ist. Ein (nicht gezeigtes) Kabel geht durch den isolierten Block 37 hindurch und ist mit dem Metallstab 40 oder dem Metallrohr 41 verbunden, so dass ein hoch-frequentes alternierendes Signal an dem piezoelektrischen Kristall 39 angelegt werden kann, um den piezoelektrischen Kristall mit der Frequenz der Tropfenbildung mit Energie zu versorgen.

Die Ausnehmung 31 wirkt als Druckfarbenreservoir für die Druckflüssigkeit, die als Strahl aus dem Düsenabschnitt austritt. Zwar ist die Ausnehmung 31 mit einer konischen Form dargestellt, aber sie kann auch andere Formen aufweisen, wie z.B. die Form eines Zylinders oder eines Horns.

Der isolierte Block 37 besteht vorzugsweise aus einem Kunststoff, wie z.B. "Perspex" (eingetragenes Warenzeichen). "Die Figur 7 zeigt nur eine Druckdüse, jedoch ist natürlich eine Reihe von Drückdüsen bei der Anwendung zum Drucken erforderlich. Solche Reihen können leicht dadurch erhalten werden, dass man einen gemeinsamen Block für alle Druckdüsen in der Reihe vorsieht, wobei jedes Gehäuse 31 mit der Unterseite des Blocks verbunden ist, der die erforderliche Anzahl von zylindrischen Bohrungen 42 aufweist, von denen jede eine undurchlässige Membrane 38, einen piezoelektrischen Kristall 39, einen Metallstab 40, ein Metallrohr 41, einen isolierten Stopfen 43 und eine Schraube 44-aufweist. Zusätzlich ermöglicht ein gesondertes Kabel zu

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einer jeden dieser Zusammenstellungen das Anlegen eines hoch-frequenten alternierenden Signals an die piezoelektrischen Kristalle 59-

Wird der piezoelektrische Kristall 39 durch ein hochfrequentes alternierendes Signal unter Energie versetzt, dann entstehen Druckänderungen in der in der Ausnehmung enthaltenen Flüssigkeit und in dem aus dem Düsenabschnitt 32 austretenden Druckflüssigkeitsstrahl, wodurch regelmässige Änderungen des Querschnitts des Strehls hervorgerufen werden, so dass der Strahl nachfolgend in einen Strom von Tröpfchen aufgelöst wird.

Zwar können alle Düsenabschnitte in einer Reihe in einem gemeinsamen Gehäuse sitzen, aber es wird bevorzugt, dass Jeder Düsenabschnitt in einer Jeden Reihe sein eigenes Gehäuse aufweist, wobei alle diese Gehäuse der Reihe mit einem gemeinsamen Verteilungskopf verbunden sind. Es wird weiterhin bevorzugt, dass jedes einzelne Gehäuse seinen eigenen piezoelektrischen Kristall aufweist, der einzeln mit Energie versorgt wird, da es dies ermöglicht, die Druckamplitude, die Phase und die Abreisslänge des durch einen jeden Düsenabschnitt. erzeugten Strahls gesondert zu regeln, um somit sicherzustellen, dass die in allen Düsen erzeugten !Tröpfchenströme in Phase oder weitgehend in Phase sind. Solche Regelungen können dadurch erreicht werden, d8ss man die Spannung (beispielsweise mit Hilfe eines Potentiometers) des hoch-frequenten alternierenden Signals justiertjdas an jedem Piezo-Kristall in der Reihe der Druckdüsen angelegt wird. Durch solche Regelungen werden die Unterschiede in den Tröpfchenströmen beseitigt, die durch kleinere Variationen in den Komponenten entstehen, aus denen eine jede Druckdüse in der Reihe gebildet ist.

Im Falle einer Vorrichtung, die eine Anzahl von Druckdüsen-

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reihen aufweist, wie sie oben beschrieben wurde, wird das genaue Inphasebringen aller durch eine jede Druckdüse in einer jeden Reihe erzeugten Tröpfchen dadurch erreicht, dass man zunächst alle Druckdüsen in einer jeden'Reihe in Phase bringt, indem man die Spannung des hoch-frequenten alternierenden Signals·, welches einem jeden piezoelektrischen Kristall in einer Reihe von Druckdüsen zugeführt wird, gesondert einstellt (wobei dieses hoch-frequente alternierende Signal von einer gemeinsamen Quelle kommt) und dass man dann Phasengleichheit zwischen den verschiedenen Reihen der Druckdüsen herstellt, indem man insgesamt die Spannung des hoch-frequenten alternierenden Signals einstellt, welches allen Piezo-Kristallen in einer Druckdüsenreihe zugeführt wird.

Gegebenenfalls kann die Kammer oder können die Kammern, die mit den Düsenabschnitten verbunden ist bzw. sind und die die Druckflüssigkeit enthält bzw.eenthalten, bevor sie durch die Düsenabschnitte hindurchgeht, teilweise mit einem Füllstoff gefüllt werden, der akustisch an die Druckflüssigkeit angeglichen ist (d.h. dass die Werte aus Dichte χ Schallgeschwindigkeit der beiden Medien im wesentlichen gleich sind). Ein Beispiel für Füllstoffe sind natürliche oder synthetische Gummis, wie z.B. ein Silikongummi. Im Falle, dass der genennte Füllstoff mit der undurchlässigen Membrane in Berührung ist, wirken die beiden in der Tat als gemeinsame Membrene. Wenn dsgegen der Füllstoff mit dem piezo-elektrischen Kristall in direktem Kontakt ist, dann wirkt der Füllstoff als Membrane.

Die undurchlässigen Membranen können aus irgendeinem geeigneten Material," wie z.B. einem dünnen Metallblech oder einer dünnen Gummi- oder Kunststoffolie, bestehen.

Wie bereits erörtert, ergibt die Energiezufuhr zum piezo-

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elektrischen Kristall oder Schwinger Schwingungen in der Druckflüssigkeit, so dass der Druckflüssigkeitsstrahl, der aus einem Düsenabschnitt austritt, in einen Tröpfchenstrom aufgelöst wird. Der piezoelektrische Kristall wird mit einem hoch-frequenten alternierenden Signal versorgt, wobei die Anzahl der in einem jeden Strahl in der Zeiteinheit erzeugten Tröpfchen gleich der Frequenz des Wechselstroms ist, ausgedrückt in kHz (Kilohertz). Die Auflöselänge eines jeden Düsenstrahls ist die· Strecke zwischen dem Austritt des Düsenabschnitts und dem Punkt, bei welchem der Flüssigkeitsstrahl in Tröpfchen aufgelöst wird."

Es wurde festgestellt, dass beim Auflösen des durch einen Düsenabschnitt erzeugten Strahls in Tröpfchen jedes gebildete Tröpfchen oftmals durch ein kleineres Tröpfchen begleitet ist, welches zweckmäsaig als Satellit bezeichnet wird. Wenn ein Tröpfchen gebildet wird, dann wird es durch die Aufladeelektrode auf einen geeigneten Wert aufgeladen und fliegt dann entweder zur zu bedruckenden Oberfläche oder zur Auffangeinrichtung. Jedoch werden gegebenenfalls gebildete Satelliten ebenfalls aufgeladen, wenn sie durch die Aufladeelektrode hindurchgehen, aber wegen ihrer geringeren Grosse und wegen der Tatsache, dass ihre Geschwindigkeit sich üblicherweise von derjenigen des Muttertröpfchens unterscheidet, unterscheidet sich ihr nachfolgender Flugweg von demjenigen des Muttertröpfchens, so dass Unregelmässigkeiten im Druckmuster auftreten. Es wurde nunmehr gefunden, dass diese Bildung von Satelliten verringert oder gar beseitigt werden kann, wenn man gleichzeitig an jeden piezoelektrischen Kristall ein kombiniertes Signal anlegt, welches aus dem hoch-frequenten alternierenden Signal der Grundfrequenz, welche die Tröpfchenbildung verursacht, und aus einem zweiten hoch-frequenten alternierenden Signal besteht, wobei letzteres eine Frequenz aufweist, die zv/eimal so gross ist wie die Grundfrequenz.

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Wenn beispielsweise das hoch-frequente alternierende Signal, das zur Speisung des piezoelektrischen Kristalls und damit zur Erzeugung einer entsprechenden Frequenz der Tröpfchenbildung im Druckflüssigkeitsstrahl verwendet wird, eine Frequenz von 64 kHz aufweist, dann besitzt das - zweite hoch-frequente alternierende Signal eine Frequenz von 128 kHz. Vorzugsweise besitzt die Frequenz des ersten hochfrequenten alternierenden Signals einen Wert unterhalb der Abbruchfrequenz des Druckflüssigkeitsstrahls, während die Frequenz des /zweiten hoch-frequenten alternierenden Signals vorzugsweise einen Wert über der Abbruchfrequenz aufweist.

Das Anlegen von zwei hoch-frequenten alternierenden Strömen, die sich hinsichtlich ihrer Frequenz um einen Faktor von zwei unterscheiden, an den piezoelektrischen Kristall oder die piezoelektrischen Kristalle stellt, ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung dar.

Der Zweckmässigkeit halber kann das Anlegen der beiden Ströme als das Anlegen einer gemischten Spannungswellenform ' bezeichnet werden, wobei einer der Ströme die Grundfrequenz und der andere die harmonische doppelte Frequenz aufweist. Damit dieses weitere Merkmal der Erfindung erfolgreich ausgenutzt werden kann, ist es nötig, seine Wirkungsweise in bezug auf den Abbruchprozess eines aus einem Düsenabschnitt austretenden Flüssigkeitsstrahls zu beschreiben.

Es ist bekannt, dass ein Flüssigkeitsstrahl mit einem bestimmten Durchmesser und mit einer bestimmten Geschwindigkeit in Abhängigkeit von periodischen Druckänderungen abbricht, wenn die Modul8tionsfrequenz niedriger ist als die Abbruchfrequenz. Dieser Grenzwert entspricht dem Zustand, bei dem die Wellenlänge der Modulation des Strahls, wobei es sich um die Strahlgeschwindigkeit dividiert durch die Modulationsfrequenz handelt, gleich dem Umfang des Strahls

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ist. Wellenlängen kürzer als der Strahlumfang sind stabil . und klingen unter der Wirkung der viskosen Dämpfung ab. Wellenlängen über den Umfang sind unstabil und nehmen in ihrer Amplitude zu, so dass der Strahl mit der Modulationsfrequenz in Tröpfchen zerreisst.

Es ist auch bekannt, dass, wenn der Flüssigkeitsstrahl mit dem bestimmten Durchmesser und der bestimmten Geschwindigkeit aufbricht, die Oberflächenwellen auf dem Strahl exponentiell mit der Zeit wachsen. Die charakteristische Wachstumsgeschwindigkeit für einen Strahl in analytischer Ableitung ist in Figur 8 der beigefügten Zeichnungen zu sehen und erläutert, wie der Exponent sich mit der Wellenzehl des Strahls (dabei handelt es sich um den Umfang des Strahls, dividiert durch die Wellenlänge der Modulation) ändert. Der Exponent ist für verschiedene Werte von

.„2
θ - <-— Ohnesorge-Zahl des Strahls

ap

aufgetragen.

μ = Viskosität der Druckflüssigkeit OC = Oberflächenspannung der Flüssigkeit ρ « Dichte der Flüssigkeit

a » Durchmesser des Strahls.

Für einen Strahl niedriger Viskosität wachsen die Wellen am raschesten bei einer Wellenzahl von 0,697· Es besteht Jedoch eine Tendenz, dass die Wellenzahl und die entsprechende optimale Frequenz bei höheren Viskositätswerten in der Flüssigkeit niedriger ist. Wenn in diesem Beispiel eine Modulationsfrequenz von 64 kHz an den Strahl angelegt wird, dessen Durchmesser und Geschwindigkeit so ausgewählt sind, dass der Abbruch mit der maximalen exponentiellen

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Wachstumsgeschwindigkeit stattfindet, dann ist die Abbruchsfrequenz 92 kHz oder etwas höher.

Es ist weiterhin bekannt, dass bei der Entwicklung der Oberflächenwellen auf dem Strahl zur Bildung einzelner Tröpfchen eine Neigung besteht, dass die Flüssigkeitsligamente, die zwischen einem jeden Tröpfchenpaar unmittelbar vor dem Abbruch verbleiben, einen kleineren eingesprengten Strahl von Satellitentröpfchen bilden. Unter gewissen Bedingungen hat es sich jedoch als möglich erwiesen, mit der Modulationsfrequenz eine weitere Modulation doppelter Frequenz zu mischen, die die Wirkung hat, die Form des Ligaments zu beeinflussen und die Satellitenbildung unter Kontrolle zu bringen. Diese werden als Amplituden- und Phasenbedingungen der kontrollierenden Modulation bezeichnet. Diese Bedingungen hängen auch davon ab, ob die erste Modula'tionsfrequenz grosser oder kleiner als die Hälfte der Abbruchfrequenz des Strahls ist.

Im vorliegenden Beispiel, bei dem die erste Modulationsfrequenz. 64· kHz ist und an der unstabilsten Lage liegt, so dass die Abbruchfrequenz im Bereich von 92 kHz liegt, ist ersichtlich, dass die zweite Frequenz im stabilen Bereich liegt. Die durch die erste Modulation erzeugte Welle wächst deshalb auf der Oberfläche des Strahls aufgrund der Wirkungen der Oberflächenspannung und der Dichte, wobei sie durch die "Viskosität der Druckflüssigkeit modifiziert wird, während die durch die zweite Modulation erzeugte Welle durch die Viskosität der Flüssigkeit gedämpft wird. Um unter diesen Bedingungen sicherzustellen, dass eine ausreichende Amplitude der Wellen der zweiten Modulation (doppelte Frequenz) bestehen bleibt, um die Form des Ligaments beim Abreissen zu beeinflussen und dadurch die Satellitenbildung unter Kontrolle zu bringen, ist es nötig, sicherzustellen, dass ausreichend (d.h. über 1 #) dieser Welle übrigbleibt.

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Um dies unter den Bedingungen, bei denen die erste Modulation eine Amplitude (F) und eine Frequenz in der Nähe der optimalen Wachstumsgeschwindigkeit aufweist, und die zweite Modulation eine Amplitude (S) und das Doppelte der genannten Frequenz aufweist, sicherzustellen, wobei a der Radius des Strahls ist, wird gefordert:

I ] > ο,

R ' - 2k² / 9Θ (1 + / 9Θ )

k β Me Wellenzahl, die der Frequenz der Tropfenbildung

entspricht
Q β Ohnesorge-Zahl, wie oben definiert.

Wenn die Resonatorstäbe (d.h. die Kombination aus piezoelektrischem Kristall und Belastungsstab) und die Kammern, welche die Druckflüssigkeit aufweisen, so konstruiert sind, dass sie gleich auf die Signale bei den beiden Frequenzen ansprechen, dann kann die gleiche Formel verwendet werden, um die Antriebsspannungen an den piezoelektrischen Kristallen in Beziehung zu setzen.

Damit die Erfindung so durchgeführt werden kann, dass die. Satellitenbildung erfolgreich unter Kontrolle gebracht wird, ist es offensichtlich günstiger, dass die erste Modulation (F) hoch genug ist, damit die Abreisszeit des Strahls möglichst gering ist. Es ist auch nötig, die Amplituden so zu wählen, dass die Viskosität des Strahls nicht die Kontrolle der zweiten Modulation unmöglich macht.

Unter den Bedingungen, dass die erste Modulationsfrequenz nicht bei der optimalen Wachstumsgeschwindigkeit für den

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Strahl liegt, ist es nötig, Figur 8 zu beachten, um die relativen Modulationsamplituden festzulegen. So sind bei dem gewählten Strahl mit einer Abbruchfrequenz von 92 IcHz bei Frequenzen über 64 kHz, wo die Grundmodulation langsamer wächst, aber die zweite Modulation stärker gedämpft ist, grössere Modulationsamplituden erforderlich, um eine kontrollierende Modulation beim Abbruch zu liefern. Bei niedrigeren Frequenzen als 64 kHz besteht die Neigung, dass die Grundmodulation langsamer wächst, dass aber die zweite Modulation weniger gedämpft ist. Als Folge davon wird die Kontrolle in diesem Bereich allmählich leichter.

Bei Frequenzen unterhalb 4-6 kHz, d.h. unterhalb der Hälfte der Abbruchfrequenz des Strahls,ist zu beobachten, dass die zweite kontrollierende Modulation ebenfalls unstabil wird und wächst. In diesem Bereich wird die Satellitenkontrolle vereinfacht, jedoch wird die oben erwähnte Phasenkontrolle der Strahlen schwieriger, und zwar aufgrund der langsameren Geschwindigkeit der Bildung der Tröpfchen aus dem Strahl.

Wenn eine ausreichende Wellenamplitude der Welle mit doppelte: Frequenz euf- dem Strahl beim Abbruch besteht, dann ist es möglich, die Form des Ligaments durch die relative Phase der ersten und zweiten Modulationen zu kontrollieren. Es ist möglich, das Vergehen der oberen oder unteren Verbindung des Ligaments zu begünstigen und dadurch die Bildung von entweder vorderen oder hinteren Satelliten zu begünstigen oder mit der Modulationsamplitude über dem definierten Wert vollständig diese Satellitenbildung zu beseitigen, indem sie in den vorderen oder hinteren Tropfen aufgehen. Es wird bevorzugt, das Ligament in den vorderen Tropfen aufgehen zu lassen.

Auf diese Weise wurde gefunden, dass es möglich ist, Tropfen

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ohne Satelliten zu bilden und somit in den Druckdüsen die Satellitenbildung zu vermeiden, so dass nur ein einziger AufladeVorgang sichergestellt wird, und genauer die Abbruchsphase zu kontrollieren.

Mit Ausnahme der piezoelektrischen Kristalle können die verbleibenden Teile der Druckdüsenreihe der vorliegenden Erfindung aus jedem geeigneten Material hergestellt werden, insbesondere Metalle, wie z.B. Messing, Aluminium oder rostfreier Stahl, und synthetische polymere Materialien, wie z.B. Polypropylen, polymerisiertes Cäprolactam, PoIy-8cetal, Polyhexamethylenadipamid oder andere synthetische Polyamide.

Die Druckdüsenreihen der vorliegenden Erfindung können anstelle der oben beschriebenen Reihen von Druckdüsen in den Vorrichtungen der Patentanmeldungen P 21 42 639*1 und P 23 33 629.0 verwendet werden. Die resultierende Vorrichtung kann in ähnlicher V/eise wie früher beschrieben betrieben werden.

Patentensprüche:

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Claims

PATENTANSPRÜCHE;

1. ; Abwandlung der Vorrichtung der deutschen Patentanmeldungen P 21 42 639.1 und P 23 33 629.0, dadurch gekennzeichnet, dass jede Reihe von Druckdüsen aus einem starr angeordneten Verteilungskopf und die Düsenabschnitte enthaltenden Gehäuse besteht, wobei Einrichtungen vorgesehen sind, um eine Druckänderung direkt oder über eine undurchlässige Membrane auf die in einer jeden Reihe von Druckdüsen enthaltene Druckflüssigkeit auszuüben.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckänderung der Druckflüssigkeit dadurch erhalten wird, dass ein Teil einer Wandung einer jeden Reihe von Druckdüsen aus einem piezoelektrischen Kristall besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckänderung der Druckflüssigkeit dadurch erhalten wird, dass ein Teil einer Wandung einer jeden Reihe von Druckdüsen aus einer undurchlässigen Membrane besteht, die mit einem piezoelektrischen Kristall in Berührung ist. "

4·. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3₅ dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Kristall oder die piezoelektrischen Kristalle sich im wesentlichen über die gesamte Länge einer jeden Reihe von Druckdüsen erstreckt bzw. erstrecken.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4-, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Düsenabschnitt mit einem einzelnen Gehäuse verbunden ist, wobei alle Gehäuse in der Reihe mit einem gemeinsamen Verteilungskopf verbunden sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet,

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dass jedes Gehäuse einen eigenen piezoelektrischen Kristall aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeder piezoelektrische Kristall einen Teil eines Resonators bildet.

8. Vorrichtung nach einem der Anspräche 2 bis 7₅ dadurch gekennzeichnet, dass jedem piezoelektrischen Kristall ein hoch-frequentes alternierendes Signal zugeführt wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das alternierende Signal eine Frequenz nicht über 85 kHz aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9_} dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung des hoch-frequenten alternierenden Signals, das an jedem piezoelektrischen Kristall in einer Reihe von Druckdüsen angelegt wird, gesondert geregelt werden kann.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites hoch-frequentes alternierendes Signal an einen jeden piezoelektrischen Kristall angelegt wird, wobei die Frequenz dieses zweiten hoch-frequenten alternierenden Signals zweimal so gross ist, wie diejenige des hoch-frequenten alternierenden Stroms, der zur Speisung eines jeden piezoelektrischen Kristalls verwendet wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des ersten hoch-frequenten alternierenden Signals unter der Abbruchfrequenz des Druckflüssigkeitsstrahls liegt, während die Frequenz des zweiten hochfrequenten alternierenden Signals über der Abbruchfrequenz des Druckflüssigkeitsstrahls liegt.

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13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Beziehung zwischen den Amplituden der beiden hoch-frequenten alternierenden Signale wie folgt ist

R S [ I

I j > O,0Ie.

IW

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