DE2453036C3 - Tintenstrahl-Drucker - Google Patents
Tintenstrahl-DruckerInfo
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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
F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Tintenstrahldruckers,
Fig.2 die Wellenform der amplitudenmodulierten
Spannung, die der Anregungselektrode zugeführt wi; d,
F i g. 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.l.
Der in F i g. 1 schematisch dargestellte Tintenstrahldrucker umfaßt eine druckregulierte Pumpe 10, die einer
Druckkammer 11 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 st-in 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 F i g. 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 Volt und eine Reihe von Impulsen erzeugt (siehe Fig. 2),
deren Amplitude zwischen 10 und 20 Volt liegt, so daß sich größere A !-Impulse ergeben, die das Drucken
verhindern sollen, und niedrigere A 2-Impulse, die das
Drucken bewirken sollen. Der durch die Ai- und
A 2-lmpulse herbeigeführte Effekt verursacht eine
Störung des Tintenstrahls durch Modulation der Einhüllenden der Wellenform des Tintenstrahls. Relativ
ι hohe Spannungen veranlassen den Tintenstrahl schneller in Tropfen aufzubrechen, deren Durchmesser quer
zur Achse der Düse 14 größer ist, als der Durchmesser des Tintenstrahls.
in ein »Wehr« 22 so angeordnet, daß es mit seiner
höchsten Stelle 23 wenig mehr als tangential in den Pfad der durch die größeren A1-impulse angeregten
Tropfen hineinragt Bezüglich der durch die kleineren A 2-lmpulse angeregten Tropfen ist die höchste Stelle
23 des Wehrs 22 weit entfernt Daher berühren nur die gröäeren 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 reiPen
'ο wieder von der Oberfläche ab, aber ihr Pfad weicht Lm
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
r, 16 zurückfließen. Mittels der Wange 30 wird dafür gesorgt daß abgelenkte Tintentropfen nicht auf das
Papier 29 anftreffen können.
Fig.2 zeigt eine Reihe von A 1- und A2-Impulsen,
die von der Schaltung 21 erzeugt wurden und die eine
«ι 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 F i g. JA zeigt die
äußere Amplitude der Einhüllenden größer ist und das
π Abreißen der Tropfen vom kontinuierlichen Tintenstrom früher erfolgt, als das für die kleineren
A 2-lmpulse 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 wit- 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
.π Λ 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
κι 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 I 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,
ho 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-Stufe, jenseits der Wange 30, eine elektrostatische oder
h> magnetische Ablenkeinheit mit Rasterabtastung nachzuordnen.
Die Tinte kann einen Elektrolyten, wie zum Beispiel Salzsäure, enthalten, obwohl die Anregung vorzugswei-
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 κ Strahls eines Fluidums veranlaßt diesen sich in einzelne
Tropfen gleicher Größe und gleichen Abstandes aufzulösen, wie das die F i g. 3A zeigt. Die Frequenz f
der Störung, die Geschwindigkeit ν des Strahls und der Abstand A der Tropfen stehen zueinander in der ι,
Beziehung
ν = η
Der Abstand L von der Düse 14 bis zu der Stelle, wo die Tropfen abreißen, hängt von der Amplitude a der t
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 Tropfen- _>i
bildungsabstand Langenähert zu:
worin -, der Radius des Fluidumstrahls ist. Der "'
unstabilste Zustand des Strahls entspricht einem Tropfenabstand A von 4 ., Strahldurchmessern oder,
unter Benutzung von Gleichung (1), einer Frequenz r.
der Störung von:
r
' ~ 4.5 0
' ~ 4.5 0
Bei dieser Frequenz ergibt sich, daß das Verhältnis -tn
des Durchmessers D des ungestörten Strahls zum
Durchmesser der Tropfen i/gleich τ ist,
d
d
I)
^ 2 (bei optimaler Frequenz).
Bei fester Amplitude der Störung gibt es einen Teil der konvexen Berührungskurve an den modulierten
Strahl, weicher 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 genfigt ein Auftreff-Parameter b von
etwa ft eines Tropfendurchmessers, um den Tropfen an
einer geeigneten konvexen Auftreffoberfläche anhaften zu lassen.
Das Phänomen des Anhaftens und Einfangens eine* kapillaren Tropfens oder Strahls kann dazu benutzt
werden, von einem mit fester Frequenz und veränderbarer 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, wie
beispielsweise elektrostatische Ablenkung, erforderlich war. In jenen Fällen muß der Auftreff-Parameter b
einem Tropfendurchmesser plus einem gewissen Spielraum entsprechen.
Erfindungsgemäß gibt es zwei Möglichkeiten, kapillare Tropfen einzufangen, die keinerlei selektive Ablenkung
verlangen. Die erste Möglichkeit bezieht sich auf die Frequenzmodulation und die zweite auf die
Amplitudenmodulation der Störung a.
Zunächst sei auf die Möglichkeit der Frequenzmodulation eingegangen. Wenn die Frequenz der
Störung um einen Faktor 2 geändert wird, während die Geschwindigkeit konstant bleibt, verhalten sich die
Durchmesser der resultierenden Tropfen im Verhältnis:
ix
h
rf.
d,
(1.20
Wenn daher die Zielfläche, nämlich das Papier, bezüglich der Düse in einem Abstand größer als der
Tropfenbildungsabstand L angeordnet ist, und so, daß die kleineren (hochfrequenten) Tropfen die Zielfläche
erreichen und nicht eingefangen werden, dann haben die größeren (niederfrequenten) Tropfen einen Auftreff-Parameter
b von etwa 0,13 d\. Durch dieses Verfahren können zwei oder mehr Tropfen hintereinander
aus dem einheitlichen Strom von Tropfen mit kleinerem Durchmesser abgezogen werden. In diesem
Fall erfolgt das Drucken durch Auslassung von Punkten entsprechend der Ableitung einer gleich großen Anzahl
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 Li und Li. Im
Abstand L\ < L < L1 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 Fig.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 Auftreff-Parametern von etwa 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)
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 (A 1) der
Amplitude die Tropfenbildung in einem ersten Abstand (L 1) von der Düse (14) erfolgt und daß bei
einem kleineren Wert (A2) der Amplitude die Tropfenbildung in einem zweiten größeren Abstand
(L 2) 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 1
< L < L 2 angeordnet ist und daß nur die mit der größeren Amplitude (A 1) erzeugten Tröpfchen die Ableitfläehe (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) unterhalb der Tropfenflugbahn angeordnet und höcksrförmig 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
id durchgeführt wird, wie das in dem US-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.
Ii Die elektromagnetischen und elektrostatischen Ablenktnittel erfordern zusätzlich zu den Anregungs- und
Tropfenbildungsvorrichlungen weitere Ablenkmittel, die stromabwärts von der Düse angeordnet werden
müssen, wie beispielsweise Magnetspulen oder Ablenken platten, 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
transvsrsalen Luftstrom gemäß US -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
hi 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,
π 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
4«i 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 Tinten-
4> strom durch ein an ein Messer angelegtes, pulsierendes
elektrisches Feld in Tröpfchen unterteilt wird. Im Bereich der Tropfenbildung ist eine Auflaaungselektrode angeordnet, welche die Tropfen entsprechend dem
zu druckenden Zeichen auflädt, so daß sie beim
v) Passieren von ein elektrisches Feld erzeugenden
Ablenkelektroden entweder auf das sich bewegende Aufzeichnungsmaterial oder in einen Tintenabflußkanal
gelangen.
Im IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 15, Nr. 12
r> 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
no 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 Rückführleitung angeschlossen. In-
h> nerhalb der Kammer werden die zu großen Tröpfchen
zu wenig abgelenkt, so daß sie oberhalb der Austrittsöffnung gegen die Kammerwandung schlagen
und die zu kleinen Tröpfchen werden so abgelenkt, daß
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