DE2453036B2 - Tintenstrahl-Drucker - Google Patents

Description

sie unterhalb der Austrittsöffnung gegen die Kammerwandung schlagen. Die zurückgehaltenen Tröpfchen, d. h. die gegenüber der vorherbestimmten Tröpfchengröße zu kleinen oder zu großen Tröpfchen fließen nach ihrem Aufschlagen durch das Gitter in die Rückführleitung.

Außerdem ist ein Tintenstrahldrucker bekannt (DE-OS 20 53 644), bei dem das zu bedruckende Papier rechtwinklig zu einer Düsenreihe bewegt wird, wobei pro Düse aus einem ständig in Tintentröpfchen zerfallenden Tintenstrahl durch entsprechende Aufladung der Tintentröpfchen nur diejenigen auf das Papier gelangen, die zum Druck notwendig sind und die übrigen Tintentröpfchen in eine Auffangvorrichtung abgeleitet werden.

Es ist die Aufgabe der in den Nebenansprüchen 1 und 2 angegebenen Erfindung, einen Tintenstrahldrucker anzugeben, der aus aufeinanderfolgenden Tropfen diejenigen in eine Auffangvorrichtung ableitet, die für den Druck nicht benötigt werden, ohne daß außer der zur Bildung der Tropfen erforderlichen Störungsenergie eine weitere Ablenkenergie aufgewendet werden muß.

Weitere Merkmale der Erfindung sind dem Unteranspruch zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den Zeichnungen veranschaulichten Ausführungsbeispiels beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Tintenstrahldruckers,

Fig.2 die Wellenform der amplitudenmodulierten Spannung, die der Anregungselektrode zugeführt wird,

Fig.3A und 3B Schnitte durch die Tropfenbildungs-Vorrichtung,

F i g. 4 eine Frontalansicht einer Vielfach-Düsenplatte entsprechend einem Schnitt entlang der Linie 4-4 in Fig. 1.

Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Tintenstrahldruckerumfaßt eine druckregulierte Pumpe 10, die einer Druckkammer 1 < Tinte zuführt. Mit der Druckkammer 11 ist eine Vorrichtung 12 zum Bilden eines Tintenstrahls verbunden, die aus einem vorzugsweise aus Quarz hergestellten Block 13 besteht, der an die Druckkammer 11 angekittet sein kann. Der Block 13 weist eine Düse 14 auf, deren Durchmesser etwa 0,05 mm beträgt, und die beispielsweise durch Bohren mit einem Elektronenstrahl hergestellt wird.

Die sich durch den Block 13 erstreckende Düse 14 ist etwa 1,2 mm lang. Die Düse 14 ist über eine öffnung 15 mit der Druckkammer 11 verbunden. Die Pumpe 10 liefert durch die Leitungen 17 Tinte unter Druck von einem Reservoir 16 in die Druckkammer 11, wobei der Druck zwischen 1,4 und 3,5 Bar liegt, so daß ein kontinuierlicher Strahl 18 von Tinte aus der Düse 14 ausgestoßen wird. Der Druck in der Druckkammer 11 wird durch darin unter Druck stehende Luft und einen Druckmesser 25 von der Pumpe 10 gesteuert, die über eine Leitung 26 ein Steuersignal vom Druckmesser 25 empfängt.

In Fig.4 sind mehrere Düsen 14 parallel zueinander angeordnet, wobei nach Art der gedruckten Schaltungen Elektroden 19 um die Ausgänge der Düsen 14 herum angeordnet sind. Die Elektroden 19 sind über Steuerleitungen 20 mit einer Steuerschaltung 21 verbunden, die eine Gleichspannung von etwa 180 Voll und eine Reihe von Impulsen erzeugt (siehe F i g. 2), deren Amplitude zwischen 10 und 20 Volt liegt, so daß sich größere A 1-Impulse ergeben, die das Drucken verhindern sollen, und niedrigere /\ 2-impulse, die das Drucken bewirken sollen. Der durch die Ai- und A 2-Impulse herbeigeführte Effekt verursacht eine Störung des Tintenstrahls durch Modulation der Einhüllenden der Wellenform des Tintenstrahls. Relativ , hohe Spannungen veranlassen den Tintenstrahl schneller ir. Tropfen aufzubrechen, deren Durchmesser quer zur Achse der Düse 14 größer ist, als der Durchmesser des Tintenstrahls.

In der Flugbahn der Tropfen des Tintenstrahls 18 ist ein »Wehr« 22 so angeordnet, daß es mit seiner höchsten Stelle 23 wenig mehr als tangential in den Pfad der durch die größeren A 1-Impulse angeregten Tropfen hineinragt. Bezüglich der durch die kleineren A 2-Impulse angeregten Tropfen ist die höchste Stelle 23 des Wehrs 22 weit entfernt. Daher berühren nur die größeren Tropfen die Oberfläche des Wehrs 22, die derart gestaltet ist, daß die Tropfen gemäß dem Coanda-Effekt an der Oberfläche haften bleiben, wie das in Fig.3A gezeigt ist. Teile dieser Tropfen reißen wieder von der Oberfläche ab, aber ihr Pfad weicht um einen Winkel θ von der ursprünglichen Flugbahn ab, so daß sie auf eine Wange 30 auftreffen und in eine Auffangvorrichtung 31 gelangen, von wo sie über einen Abfluß 27 und eine Rückführleitung 28 in das Reservoir 16 zurückfließen. Mittels der Wange 30 wird dafür gesorgt, daß abgelenkte Tintentropfen nicht auf das Papier 29 auftreffen können.

Fig. 2 zeigt eine Reihe von A 1- und A2-Impulsen, die von der Schaltung 21 erzeugt wurden und die eine Amplitude von 10 bzw. 20 Volt aufweisen, und einer Gleichspannung von 180 Volt überlagert sind. Die größeren A 1-Impulse verursachen größere Störungen des Tintenstrahls 18, wobei, wie Fig.3A zeigt, die äußere Amplitude der Einhüllenden größer ist und das Abreißen der Tropfen vom kontinuierlichen Tintenstrom früher erfolgt, als das für die kleineren A 2-Impulse der Fall ist. In Fig.3A ist dargestellt, daß ein mit der Amplitude A 2 geladener Tropfen gerade eben die höchste Stelle 23 des Wehrs 22 überfliegt, ohne es zu berühren oder zu streifen, und wie andere A 2-Tropfen wird er die Wange 30 passieren und auf das Papier 29 auftreffen. Die A 1-Tropfen verlieren jenseits der höchsten Stelle 23 des Wehrs 22 an Höhe entsprechend einer Linie, die mit der Flugbahn der A 2-Tropfen einen Winkel Θ bildet, wobei Teile der Tropfen bis zur Winkel Θ-Linie herausgezogen werden und andere Teile an der geschwungenen Oberfläche des Wehrs 22 anhaften, wobei die Kurvenform der Oberfläche, die in den Tropfen enthaltene kinetische Energie und die Oberflächenspannung der Tropfenflüssigkeit eine Rolle spielen.

Vorzugsweise ist die höchste Stelle 23 des Wehrs 22 innerhalb eines Bereiches von 1 bis 4 mm, beispielsweise 2 mm, von der Düse entfernt angeordnet, wobei die höchste Stelle 23 einen Kurvenradius von 1 mm aufweist. Der Winkel Θ wird zwischen 7° und 8° gewählt. Die Geschwindigkeit des Tintenstrahls beträgt etwa 18 m/sek. Der genaue Ort der höchsten Stelle 23 ist jedoch eine Funktion der Strömungsgeschwindigkeit, der Anregung und des Strahldurchmessers, welche Größen die Entfernung bestimmen, bei der der Strahl sich in einzelne Tropfen auflöst.

Es ist auch möglich, der Tropfenbildungs-Stufc, jensHts der Wange 30, eine elektrostatische oder magnetische Ablenkeinheit mit Rasterabtastung nachzuordnen.

Die Tinte kann einen Elektrolyten, wie /um Beispiel Salzsäure, enthalten, obwohl die Anregung

se durch elektrostatische Kräfte ohne Stromfluß zwischen den Elektroden 19 und dem Tintenstrahl 18 erfolgen sollte.

Die kurvenförmige Oberfläche des Wehrs 22 kann, wie beschrieben, aus Quarz oder aus Messing, Aluminium, Polytetrafluoroäthylen bestehen oder aus einem porösen Material, das mittels einer Pumpe in die Rückführleitung 28 eingesaugt wird, um eine Filtrierung zu bewirken.

Eine periodische Störung eines zylinderförmigen Strahls eines Fluidums veranlaßt diesen sich in einzelne Tropfen gleicher Größe und gleichen Abstandes aufzulösen, wie das die Fig.3A zeigt. Die Frequenz f der Störung, die Geschwindigkeit ν des Strahls und der Absland λ der Tropfen stehen zueinander in der Beziehung

ν=ίλ

Der Abstand L von der Düse 14 bis zu der Stelle, wo die Tropfen abreißen, hängt von der Amplitude a der Störung ab. Aus der sehr einfachen Theorie des Tropfenbildungsprozesses ist abzuleiten, daß die Störung exponentiell mit der Zeit wächst, wobei die Wachstumsrate g von der Oberflächenspannung des Fluidums abhängt. Daher ergibt sich der Tropfenbildungsabstand L angenähert zu:

■ ('■■")

2 (bei optimaler Frequenz).

einer geeigneten konvexen Auftreffoberfläche anhafter zu lassen.

Das Phänomen des Anhaftens und Einfangens eine:

kapillaren Tropfens oder Strahls kann dazu benutz werden, von einem mit fester Frequenz und veränder barer Amplitude gestörten Strahl selektiv abgelenkte Tropfen einzufangen (F i g. 1).

Die Größe der notwendigen Ablenkung, um auf diese Weise einen Tropfen einzufangen, beträgt etwa

'" indessen, was bei herkömmlichen Verfahren, wi(

beispielsweise elektrostatische Ablenkung, erforderlich war. In jenen Fällen muß der Auftreff-Parameter t einem Tropfendurchmesser plus einem gewissen Spiel

ι -> raum entsprechen.

Erfindungsgemäß gibt es zwei Möglichkeiten, kapillare Tropfen einzufangen, die keinerlei selektive Ablen kung verlangen. Die erste Möglichkeit bezieht sich aul die Frequenzmodulation und die zweite auf die

JH Amplitudenmodulation der Störung a.

Zunächst sei auf die Möglichkeit der Frequenzmodulation eingegangen. Wenn die Frequenz dei Störung um einen Faktor 2 geändert wird, während die Geschwindigkeit konstant bleibt, verhalten sich die

:< Durchmesser der resultierenden Tropfen im Verhältnis:

worin , der Radius des Fluidumstrahls ist. Der unstabilste Zustand des Strahls entspricht einem Tropfenabstand λ von 4 , Strahldurchmessern oder,

unter Benutzung von Gleichung (1), einer Frequenz der Störung von:

¹ ~'^Z 4.5/) '

Bei dieser Frequenz ergibt sich, daß das Verhältnis des Durchmessers D des ungestörten Strahls zum

Durchmesser der Tropfen dgleich ι ist.

Bei fester Amplitude der Störung gibt es einen Teil der konvexen Berührungskurve an den modulierten Strahl, welcher Teil bezüglich seiner Amplitude bis zum Abstand L exponentiell anwächst, und durch Veränderung der Amplitude der Modulation kann der Tropfenbildungspunkt zwischen den Grenzen dieses exponentiellen Bereichs verschoben werden. Diese Eigenschaften eines kapillaren Strahls sind bekannt und lassen sich leicht nachweisen.

Weniger bekannt, aber ähnlich gut nachweisbar, ist die Tatsache, daß, wenn ein kapillarer Strahl oder Tropfen auf eine konvexe feste Oberfläche, wie das in F i g. 1 gezeigte Wehr 22, mit einem Auftreff-Parameter b von weniger als einem Tropfenradius auftrifft, dann wird der Strahl oder Tropfen flach und haftet an der Oberfläche an, vorausgesetzt der Kurvenradius der Oberfläche, der Tropfendurchmesser und die Geschwindigkeit des Tropfens oder Strahls sind richtig gewählt. Im allgemeinen genügt ein Auftrcff-Parameter b von

elwa (, eines Tnipfcndurchmcsscrs. um den Tropfen an oder

■i/2

Ϊ/2 - I J </,

i 0.26 </,.

Wenn daher die Zielfläche, nämlich das Papier bezüglich der Düse in einem Abstand größer als der Tropfenbiidungsabstand L angeordnet ist, und so, daC die kleineren (hochfrequenten) Tropfen die Zielfläche erreichen und nicht eingefangen werden, dann haben die größeren (niederfrequenten) Tropfen einen Auf treff-Parameter b von etwa 0,13 d\. Durch diese« Verfahren können zwei oder mehr Tropfen hintereinan der aus dem einheitlichen Strom von Tropfen mi kleinerem Durchmesser abgezogen werden. In diesem Fall erfolgt das Drucken durch Auslassung von Punkter entsprechend der Ableitung einer gleich großen Anzah von Tropfen.

Das bevorzugte Verfahren zum Einfangen einer beliebigen Anzahl von Tropfen aus einem gleichförmigen Tropfenstrahl benutzt die Modulation der Amplitude der Störung des Strahls. Dieses Verfahren des Einfangens von Tropfen ohne selektive Ablenkung ist das folgende: Es werden zunächst zwei Amplitudengrößen der Störung gewählt. Jeder Größe entspricht ein Tropfenbildungs-Abstand, nämlich L\ und L^. Im Abstand L\ <L <Li von der Düse wird ein konvexes Hindernis angeordnet, so daß bei der kleineren Amplitude ein kontinuierlicher Teil des Strahls das Hindernis knapp berührt oder einen leicht negativen Auftreff-Parameter hat, wie das in F i g. 3B gezeigt ist Bei größerer Amplitude der Störung liegt der Tropfenbildungspunkt zwischen der Düse und dem Hindernis, wie in Fig. 3A gezeigt. Da das Verhältnis von Tropfendurchmesser zu Strahldurchmesser bei der optimalen Frequenz etwa 2 beträgt, kann durch geeignete Anordnung des Hindernisses ein Unterschied in den Auflreff-Parametern von clwa einem Tropfenradius erzielt werden.

Die technischen und wirtschaftlichen Vorteile dieses Verfahrens liegen auf der Hand: Es werden kein elektrostatisches Feld, keine Elektroden oder andere Ablenkvorrichtungen benötigt Die Flugweite von der Düse bis zum Papier kann auf etwa 8 mm reduziert werden, so daß praktisch alle aerodynamischen Fehler eliminiert werden. Elektronische Schaltungen werden nur für den Tropfenbildungs-Generator benötigt. Die einzige, für dieses Verfahren wichtige Materialeigen-

schaft des Fluidums ist seine Oberflächenspannung, und sogar diese muß nicht innerhalb enger Grenzen gehalten werden.

In einem Tintenstrahl-Drucker mit mehreren parallelen Düsen sind nach dem beschriebenen Prinzip entsprechend viele, separat adressierbare Tropfengeneratoren erforderlich, so daß die Amplitude jeder Störung separat gesteuert werden kann.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Tintenstrahldrucker mit einer im Abstand zum Aufzeichnungsträger und quer zur Vorschubrichtung des letzteren angeordneten Reihe von Düsen, die jeweils mittels einer zugeführten Störgröße einen ständigen, in Tintentröpfchen zerfallenden Tintenstrahl erzeugen und bei dem zum Aufzeichnen nicht benötigte Tintentröpfchen in eine Auffangvorrichtung ableitbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine je eine Düse (14) umgebende Elektrode (19) in Abhängigkeit von dem zu druckenden Zeichen mit zwei unterschiedlichen Amplitudenwerten (A 1, A 2) der Störgröße beaufschlagbar ist, so daß bei konstanter Geschwindigkeit des Tintenstrahls (18) und bei konstanter Frequenz der Störgröße bei einem ersten Wert (Ai) der Amplitude die Tropfenbildung in einem ersten Abstand (L 1) von der Düse (14) erfolgt und daß bei einem kleineren Wert (A 2) der Amplitude die Tropfenbildung in einem zweiten größeren Abstand (L2) von der Düse (14) erfolgt und daß eine, die in die Auffangvorrichtung (31) zu gelangenden, mit der größeren Amplitude (A 1) der Störgröße erzeugten Tröpfchen einfangende Ableitfläche (23) in einem zwischen dem ersten und zweiten Abstand liegenden Abstand (L) gemäß der Beziehung L i < L < L 2 angeordnet ist und daß nur die mit der größeren Amplitude (A 1) erzeugten Tröpfchen die Ableitfläche (23) berühren.

2. Tintenstrahldrucker mit einer im Abstand zum Aufzeichnungsträger und quer zur Vorschubrichtung des letzteren angeordneten Reihe von Düsen, die jeweils mittels einer zugeführten Störgröße einen ständigen, in Tintentröpfchen zerfallenden Tintenstrahl erzeugen und bei dem zum Aufzeichnen nicht benötigte Tintentröpfchen in eine Auffangvorrichtung ableitbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine je eine Düse (14) umgebende Elektrode (19) in Abhängigkeit von dem zu druckenden Zeichen mit zwei unterschiedlichen Frequenzen der Störgröße beaufschlagbar ist, so daß bei konstanter Geschwindigkeit des Tintenstrahls (18) und bei konstanter Amplitude der Störgröße bei einem ersten Wert der Frequenz Tropfen mit einem ersten Durchmesser gebildet werden, die über eine stromabwärts vom Tropfenbildungspunkt angeordnete Ableitfläche (23) gerade noch berührungslos hinüberfliegen, und daß bei einem zweiten, niedrigeren Wert der Frequenz Tröpfchen mit einem zweiten größeren Durchmesser gebildet werden, welche die Ableitfläche (23) berühren.

3. Tintenstrahldrucker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Ableitfläche (23) berührenden Tröpfchen gemäß dem Coanda-Effekt an der Ableitfläche (23) haften bleiben, daß die Ableitfläche (23) unterhalt) der Tropfenflugbahn angeordnet und höckerförmig ausgebildet ist und stromabwärts gesehen in eine geneigte Fläche übergeht, die an ihrem tiefsten Punkt einen mit dem Tintenreservoir verbundenen Abfluß (27) aufweist und anschließend in eine konkav geformte Fläche (30) übergeht, die so weit ansteigt, daß die für den Druck vorgesehenen Tröpfchen sie nicht berühren können.

Die Erfindung geht von einem Tintenstrahl-Schreiber der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art aus.

Es ist bekannt, die Ablenkung eines Tintenstrahls durch Steuerung von elektrostatischen oder elektromagnetischen Ablenkmitteln zu bewerkstelligen. Außerdem ist bereits ein aerodynamisches Verfahren zur Steuerung durch Änderung der Anregungsenergie in Kombination mit einem transversalen Luftstrom durchgeführt wird, wie das in dem USA-Patent 37 09 432 beschrieben ist, worin ein Fluidumstrom in eine Auffangvorrichtung abgelenkt wird, separate Tropfen jedoch weniger abgelenkt werden und ein Zielobjekt erreichen können.

Die elektromagnetischen und elektrostatischen Ablenkmittel erfordern zusätzlich zu den Anregungs- und Tropfenbildungsvorrichtungen weitere Ablenkmittel, die stromabwärts von der Düse angeordnet werden müssen, wie beispielsweise Magnetspulen oder Ablenkplatten, für die auch eine zusätzliche Stromversorgung bereitgestellt werden muß. Im übrigen können mit magnetischen Ablenkmitteln nur relativ langsame Änderungen des Ablenkwinkels erzielt werden.

Die Benutzung variabler Anregung mit einem transversalen Luftstrom gemäß USA-Patent 37 09 432 verlangt einen separaten Kompressor und bewirkt, daß ein erheblicher Teil der Tropfen jenseits des Luftschlitzes gelangt, so daß von einer Auswahl einzelner Tropfen keine Rede sein kann. Der Tropfenstrom ist vielmehr entweder eingeschaltet oder ausgeschaltet.

Es ist bekannt (GB-PS 13 39 424), einen aus einer Düse austretenden Flüssigkeitsstrahl in Abhängigkeit von seinem Druck aus seiner ursprünglichen Bahn abzulenken, indem in die Düse ein dünner Draht ragt, der außerhalb der Düse ein bogenförmiges Ende aufweist. In Abhängigkeit vom jeweiligen Druck der Flüssigkeit wird die letztere durch den sogenannten Coanda-Effekt eine bestimmte Strecke an der Oberfläche des dünnen Drahtes entlangfließen, bevor sie vom Draht abreißt. Der Druck bestimmt somit die Abreißstelle und dadurch die Richtung des freien Tintenstrahles.

Es ist auch ein Tintenstrahldrucker bekannt (DE-AS 12 74 622), bei dem der die Düse verlassende Tintenstrom durch ein an ein Messer angelegtes, pulsierendes elektrisches Feld in Tröpfchen unterteilt wird. Im Bereich der Tropfenbildung ist eine Aufladungselektrode angeordnet, welche die Tropfen entsprechend dem zu druckenden Zeichen auflädt, so daß sie beim Passieren von ein elektrisches Feld erzeugenden Ablenkelektroden entweder auf das sich bewegende Aufzeichnungsmaterial oder in einen TintenabfluQkanal gelangen.

Im IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 15, Nr. 12 vom Mai 1973, S. 3630, ist ein Tintenstrahldrucker beschrieben, bei dem Tröpfchen, die von einer vorherbestimmten Masse abweichen, aussortiert werden, indem zwischen der Aufladeelektrode und den Ablenkplatten eine Kammer angeordnet ist, die an ihrer Unterseite ein aufgeladenes Gitter besitzt und in Richtung der Flugbahn der eine vorherbestimmten Masse aufweisenden Tröpfchen eine Ausgangsöffnung aufweist. Der Raum unterhalb des Gitters ist an eine zur Pumpe führenden Riickführleitung angeschlossen. Innerhalb der Kammer werden die zu großen Tröpfchen zu wenig abgelenkt, so daß sie oberhalb der Austrittsöffnung gegen die Kammerwandung schlagen und die zu kleinen Trcnfchen werden so abgelenkt, daß