DE2455854B2 - Vorrichtung zum erzeugen von aufeinanderfolgenden fluessigkeitstropfen in parallelen strahlen, insbesondere fuer tintenstrahldrucker - Google Patents

Description

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Die Erfindung geht von einer im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art einer Vorrichtung zum Erzeugen von aufeinanderfolgenden Flüssigkeitstropfen in parallelen Strahlen aus.

Bei der Herstellung von Tintenstrahldruckern mit mehreren parallelen Strahlen muß Sorge dafür getroffen werden, daß die erzeugten Tropfen alle die gleiche Geschwindigkeit und unveränderte Abstände voneinander haben. Nur so ist gute Qualität des erzeugten Druckbildes gewährleistet. Die Ausbildung der einzelnen Tropfen sollte immer im gleichen Abstand von der den Flüssigkeitsstrahl liefernden Düsen erfolgen, damit auch die elektrische Aufladung der so gebildeten Tropfen synchron mit ihrer Erzeugung vorgenommen werden kann. Die Tropfen werden selektiv aufgeladen an dem Punkt, wo sie sich durch Einschnürung von den Stromfäden ablösen. Anschließend wird die Flugbahn der aufgeladenen Tropfen durch elektrostatische Ablenkeinrichtungen beeinflußt. Je nach dem gewünschten Druckbild werden die Tropfen entsprechend auf die Unterlage hingelenkt oder, beispielsweise bei Leerstellen, in einen Auffänger abgelenkt. Wenn die Lage des Obergangspunktes vom Stromfaden in einzelne Tropfen variiert, erhalten diese Tropfen nicht die richtige Aufladung und werden deshalb auch nicht in der richtigen Weise zu ihrem erwünschten Druckpunkt abgelenkt Die Ungenauigkeit und Unvorhtrsagbarkei·. des Tropfenbildungspunktes ist besonders störend bei Mehrfachdruckknöpfen, weil gerade in parallelen Farbstrahlen der Synchronismus der einzelnen Tropfen für die Ausbildung eines guten Druckbildes besonders wichtig ist.

Es ist bekannt, (CH-PS 5 24 408) an einem Tintenstrahldruckkopf einen einzigen Ultraschallgeber in der Verteilerkammer für die Tinte anzuordnen, weldier periodische Druckschwankungen erzeugt Weil nur ein einziger Wandler vorgesehen ist, kann die Intensität der Ultraschallwellen in den verschiedenen Düsen des Druckkopfes erheblich schwanken. Die Länge der Stromfäden vor ihrer Auflösung in einze.'ne Tropfen schwankt dann ebenfalls.

Es ist auch bekannt (DT-OS 22 50 029) die Gleichmäßigkeit der anregenden Druckschwankungen in einer Reihe von Düsen dadurch zu erreichen, daß der Wandler an einem Ende der Düsenplatte angeordnet ist. Die vom Wandler angeregte Biegesciiwingung pflanzt sich dann längs der Düsenplatte fort. Die Enden werden gedämpft um Reflexionen zu vermeiden und so eine relativ reine Schwingungsanregung zu erreichen. Auf diese Weise werden die Stromfäden fast gleichförmig lang. Es bleibt jedoch ein Längenunterschied zwischen dem ersten Stromfaden in der Nähe des Wandlers und jenen, die am weitesten davon entfernt sind. Diese letzten Stromfäden bleiben langer und zerfallen damit später in Tropfen, so daß ibre Aufladung unregelmäßig wird.

Es ist die Aufgabe der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung, bei einer Vorrichtung zum Erzeugen von aufeinanderfolgenden Flüssigkeitstropfen in parallelen Strahlen das Vibratorglied so anzuordnen und auszubilden, daß es über dem gesamten Bereich der Düsen gleichmäßige Schwingungen ausführt, so daß von allen Düsen zeitlich übereinstimmend Tropfen erzeugt werden, wodurch eine genaue Synchronisation der Aufladung der Tropfen aller Düsen mit ihrer Erzeugung möglich wird, was besonders in Tintenstrahldruckern von großer Bedeutung ist.

Es ist zwar ein Tintenstrahldruckkopf bekannt (IBM Technical Disclosure Bulletin Vol. 16, Nr. 6, Nov. 1973, Seite 1834), der mit allen Düsen zeitlich übereinstimmend Tropfen erzeugen kann. Mit diesem Druckkopf wird die Verteilerkammer, an deren einen Seite die Düsen angeordnet sind und deren andere Seite von einer Folie gebildet wird, durch einen Elektromagneten hin und her verschoben, wobei in der einen Stellung die Folie gegen einen Anschlag gepreßt wird und dadurch von allen Düsen gleichzeitig Tropfen ausgestoßen werden. Durch die große zu bewegende Masse ist jedoch die erzielbare Tropfenbildungsfrequenz gegenüber der von modernen Tintenstrahldruckern geforderten zu niedrig.

Die Erfindung ist nachstehend anhand von in den Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen Druckkopf in auseinandergezogener Darstellung,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Druckkopfes nach F ι g. 1 in zusammengesetztem Zustand.

Fig. 3 einen Schnitt des Druckkopfes entlang der Linie3-3in Fig. 2,

Fig. 4a, 4b Vorderansicht und Draufsicht des Vibratorgliedes das in dem Druckkopf gemäß den F i g. J bis 3 Verwendung findet,

Fig.5a. 5b schematische Darstellungen, in welchen die Flüsöigkeitsstrahlen verglichen werden, die von einem DrucKKopf herkömmlicher Bauweise bzw. nach der Erfindung ausgehen und

Fig.6 eine Vorderansicht eines anderen AusführungsbeispiJIes für das Vibraiorglied nach F i g. 4.

Wie aus den Fig. 1 bis 3 ersichtlich, besteht der Druckkopf nach der Erfindung im wesentlichen aus einem hinteren Gehäuseteil 10. einem Vibratorglied 11, einem vorderen Gehäuseteil IZ einer Düsenplatte 13, einer Isolierplatte 14 und einer Aufladeplatte 35. Der Gehäuseteil 10 enthält einen nach hinten keilförmig zulaufenden hinteren Hohlraum 15, während der vordere Hohlraum 16 im Gehäuseteil :,2 nach vorne * keilförmig zuläuft. Wenn die beiden Gehäuseteile mit dem dazwischenliegenden Vibratorglied 11 zusammengebaut sind, umschließen sie eine Kammer mit rhombenförmigen Querschnitt, welche eine Verteilerkammer für eine Reihe von flüssigen Farbstoff abgebenden Düsen bildet. Der vordere Hohlraum 16 erstreckt sich ganz durch den vorderen Gehäuseteil 12 und bildet an dessen Vorderseite 18 einen waagrecht verlaufenden Schlitz 17. Das zwischen den Gehauseteilen 10 und 12 angeordnete Vibratorglied 111 besteht aus einem dünnen, biegsamen und elastischen Mater.» I wie rostfreiem Stahl von etwa 0.13 mm Dicke. Die Tiefe jedes der Hohlräume 15 und 16 entspricht vorzugsweise einem Viertel der Wellenlänge bei der Arbeitsfrequenz des Vibratorgliedes 11. Eine so gewählte Tiefenausdehnung begünstigt die Erzeugung einer stehenden Welle innerhalb der Flüssigkeit in beiden Hohlräumen.

F i g. 4 ist ein« genauere Darstellung des Vibratorgliedes 11. Es ist im wesentlichen rechteckig und von ausreichender Größe, so daß es zwischen den Gehäuseteilen 10 und 12 eingeklemmt werden kann und so die Verteilerkammer in einen vorderen Hohlraum 16 und einen hinteren Hohlraum 15 unterteilt. Das in der Zeichnung schattiert dargestellte Randgebiet 20 wird zwischen den Gehäuseteilen eingeklemmt. Der Anschlußteil 21 ragt an der Unterseite des zusammengesetzten Gehäuses heraus. Je ein Schlitz 23 an den Schmalseiten des Mittelteiles 22 trennt diesen von dem eingeklemmten Randgebiet und erlaubt so dem Mittelteil des Vibratorgliedes freie Biegeschwingungen auszuführen.

Auf einer Seite des Vibratorgliedes 11, beispielsweise der Rückseite, ist eine Mehrzahl von Wandlern 24 in dem Raum zwischen den Schlitzen 23 angeordnet. Diese Wandler sind vorzugsweise piezoelektrische Wandler und bestehen aus Streifen eines Materiales wie Bariumtitanat. Diese Streifen haben ein Seitenverhältnis von etwa 4 :1 bis 6 :1 und eine Dicke von etwa 0,25 mm. Die Länge dieser streifenförmigen piezoelektrischen Wandler 24 entspricht vorzugsweise etwa der Länge der Schlitze 23, die ihrerseits variieren kann, je nach dem erwünschten Maß an Durchbiegung des Vibrationsgliedes zwischen den beiden Hohlräumen der Verteilerkammer. Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß die f>> streifenförmigen Wandk-r 24 sich über die obere und untere Begrenzung der Hohlräume 15 und 16 hinaus in Ausnehmungen erstrecken. Sie können aber auch kürzer ausgebildet sein. Das relativ große Seitenverhältnis der streifenförmigen Wandler ist erwünschte, um maximale Durchbiegung des Mittelteiles des Vibratorgliedes um seine Längsachse zu erreichen. Ein größeres zusammenhängendes Stück von piezoelektrischen Material würde danach tendieren, sich ähnlich wie eine Membran zu verhalten und deshalb eine konkave Durchbiegung zu zeigen. Dieser Effekt der zweiachsigen hohlen Wölbung wird vermindert durch Aufteilung des Wandlers in einzelne streifenförmige Elemente, um so eine einachsige Durchbiegung des Vibratorgliedes zu erreichen.

Die Wandler 24 werden mit dem Mittelteil 22 des Vibratorgliedes 11 zweckmäßig mit einem Klebstoff wie beispielsweise Epoxydharz verbunden. Die Anzahl und die Abstände der Wandler 24 werden entsprechend der erwünschten Durchbiegung des Mittelteiles 22 bestimmt, um die notwendigen Druckwellen innerhalb der auszugebenden Farbflüssigkeit zu erzeugen. Selbstverständlich werden die Wandler 24 im gleichen Richtungssinne montiert, damit sie im Gleichklang den Mittelteil 22 zu ßiegeschwingungen anregen, sobald sie mit entsprechenden Treibströmen versorgt werden. Die Wandler sollten gleichmäßige Abstände voneinander haben und parallel zu den entlastenden Schlitzen 23 verlaufen. Nach dem Aufbringen der streifenförmigen Wandler auf das Vibratorglied 11 werden die Zwischenräume mit einem geeigneten Material wie beispielsweise Expoxydharz ausgefüllt. Dann wird die nicht mit dem Blech des Vibratorgliedes verbundene Elektrode jedes Wandlers mit einer gemeinsamen Leitung 25 verbunden, die an eine Anschlußstelle 26 geführt ist. Diese Anschlußstelle ist mit einem geeigneten isolierenden Klebstoff auf das Vibratorglied 11 aufgekittet, tine isolierte Zuleitung 27 wird mit der Leitung 25 an der Anschlußstelle 26 verbunden und mit einem Klebstoff längs des Anschlußteiles 21 angeklebt. Danach werden die Wandler 24 und die Leitung 25 mit einem isolierenden Schutzüberzug versehen, der gleichzeitig auch als Abdichtung gegen die Feuchtigkeit dient. Ein Polyurethan oder ein anderes geeignetes Material kann dafür verwendet werden.

Wie aus den Fig. 1 und 3 zu ersehen, wird das Vibratorglied 11 mit den daran angeordneten Wandlern 24 zwischen die Gehäuseteiie 10 und 12 mittels eines Paares elastischer Dichtungen 30 eingeklemmt. Diese Dichtungen befinden sich in Ausnehmungen der Gehäuseteile. Eine weitere Ausnehmung 32 wird zweckmäßig in dem hinteren Gehäuseteil 10 vorgesehen, um die Durchführung des Anschlußteiles 21 des Vibratorgliedes 11 und der Zuleitung 27 zu erleichtern. Der aus dem Gehäuse herausragende Anschlußteil 2· und die Zuleitung 27 werden mit einer geeigneten Quelle für den Treibstrom, beispielsweise mit einem Oszillator 28 verbunden. Der Anschluß wird dadurch vereinfacht, daß man als eine der Zuleitungen zu den Wandlern das elektrisch leitende Vibratorglied selbst benutzt. Die Gehäuseteile 10 und 12 werden vorzugsweise mitteis Schrauben flüssigkeitsdicht miteinander verbunden, so daß der in der Kammer befindliche unter Druck stehende flüssige Farbstoff nicht an unerwünschten Stellen austreten kann. Die mit der Isolierplatte 14 verkittete Düsenplatte 13 wird mit der Vorderseite 18 des vorderen Gehäuseteiles 12 verschraubt. Gegen den unerwünschten Austritt von Flüssigkeit ist eine Dichtung 31 vorgesehen. Die etwas größeren öffnungen 34 in der Isolierplatte 14 stehen gleichachsig mit den Düsen 33 in der DüsenDlatte 13. Die Isolierolatte 14 erlaubt die

isolierte Anbringung der Aufladeplatte 35. welche als Elektroden Ringe 36 enthält, mit deren Hilfe die gebildeten Flüssigkeitstropfen selektiv aufgeladen werden können, sobald sie sich von den Stromfäden ablö: en. die durch die Düsen 33 austreten. Der Düsendurchrr esser liegt im Bereich von 0,013 mm bis 0,038 mm. Die Öffnungen 34 sind größer, ihr Durchmesser liegt zwischen 0,15 und 0,20 mm.

Nach dem Zusammenbau des Druckkopfes wird er mit einer geeigneten Quelle für die Zulieferung von unter Druck stehender flüssiger Druckfarbe oder Tinte verbunden, angedeutet durch die Pumpe 37 und die Rohrleitung 38, welche an den Eingangskanal 39 angeschlossen sind, der mit der Verteilerkammer 15, 16 in Verbindung steht, wie aus Fig.3 ersichtlich ist. Normalerweise mit Verschluß-Schrauben 44 versehene Ablaßkanäle 43 ermöglichen die Entlüftung lies Gehäuses beim ersten Einfüllen von Tinte. Da beide Hohlräume 15, 16 untereinander durch die Schlitze 23 des Vibratorgliedes 11 verbunden sind, ist in beiden Abteilen der Verteilerkammer der statische Druck gleich. Der Anschlußteil 21 des Vibratorgliedes 11 i:nd die Zuleitung 27, welche an der Unterseite les Druckkopfes herausgeführt sind, werden mit dem Oszillator 28 verbunden. Die den piezoelektrischen Wandlern 24 zugeführten Treibströme haben beispielsweise eine Frequenz im Bereich von 60 bis 120 kHz.

Wenn Tinte aus der Reihe der Düsen 33 herausgespreßt wird, Si'virken die den piezoelektrischen Wandlern 24 zugeführten Treibimpulse eine Durchbiegung des Mittelteiles 22 des Vibratorgliedes in eine Lage, die in Fig.3 durch die gestrichelte Linie 40 dargestellt ist. Der Oszillator kann Treibspannun.;en abgeben, die zwischen Erdpotential und einer höheren Spannung schwanken, oder er kann auch so geschaltet sein, daß seine Ausgangsspannung zwischen positi /en und negativen Werten schwingt Die Schwingungsumplitude des Vibratorgliedes ist durch die gestrichelten Linien 40 und 41 begrenzt Die gleichmäßige Anregung des Mittelteiles 22 des Vibratorgliedes zu Dauerschvingungen erzeugt Druckwellen innerhalb der keilförmig zulaufenden Hohlräume 15 und 16, wodurch die an ilen Düsen austretende Tinte Druckschwankungen erfä-irt, welche an allen Düsen der Reihe gleichzeitig erfolgen. Dies bewirkt das Auftreten von Einschnürungen in den Stromfäden, welche von jeder Düse ausgehen, mit dem Ergebnis, daß die Ausbildung von einzelnen Tropfen in jedem Stromfaden im gleichen Abstand von der Düsenplatte 13 beginnt

Zum Vergleich des gegenüber dem bekannten Stand der Technik erzielten Fortschrittes dient die schematische Darstellung der Tropfenbildung in den F i g. 5a und 5b. Bei bekannten Vorrichtungen gemäß Fig.5a strebt s die von der Düsenplatte ausgehende Flüssigkeitsströmung 50 danach, innerhalb der Aufladeplatte an Punkten in einzelne Tropfen aufzubrechen, die unterschiedliche Abstände von der Düse-iplatte haben. Das wechselnde Bild dieser Punkte spiegelt die Schwankungen des jeweiligen an der Reihe der Düsen wirksamen Druckes wieder. Wenn jedoch das beschriebene Vibratorglied 11 in der Verteilerkammer für den Farbstoff verwendet wird, erfährt jeder einzelne Stromfaden 51 zur gleichen Zeit und mit gleicher Stärke eine periodische Druckschwankung, was zu einer völlig gleichmäßigen Ausbildungen von Einschnürungen längs jedes aus einer Düse austretenden Stromfadens führt. F i g. 5b zeigt, daß in diesem Falle die Ausbildung von Tropfen gleichmäßig, zur gleichen Zeit und im gleichen Abstand von der Düsen platte innerhalb der Aufladeplatte erfolgt. Die neue Vorrichtung löst daher das Problem der räumlichen und zeitlichen Phasenbeziehungen der erzeugten Tropfen bezüglich der Düsenanordnung bzw. der Aufladeplatte mit dem Ergebnis, daß nun auch das auf der Schreibfläche erzeugte Bild der Druckzeichen exakter steuerbar äst.

F i g. 6 zeigt eine mögliche Abwandlung des Vibratorgliedes 11, wobei quer zu den streifenförmigen piezoelektrischen Wandlern 24 eine Anzahl von Versteifungsleisten 45 auf dem Mittelteil 22 vorgesehen ist. Diese Versteifungsleisten können auf der den Wandlern abgewandten Seite des Vibratorgliedes vorgesehen sein, um die Ausbildung einer einachsigen Durchbiegung zu erleichtern, indem sie eine Wölbung in der anderen Richtung verhindern. Die Anordnung von parallelen Versteifungsleisten kann auch durch ein gewelltes Auflageblech ersetzt werden, das die gleiche Wirkung: erzielt. Das bevorzugte Material für das Wellblech oder die Versteifungsleistcn ist rostfreier Stahl, um mögliche Korrosion auszuschließen. Auch andere Metalle mögen geeignet sein.

Bei den dargestellten Aissfühningsbeispäelen ist das Vibratorglied 11 mit seinen Randgebieten allseitig festgelegt. Man kann aber gegebenenfalls bessere Beweglichkeit des Mittelteiles erzielen, wenn man nur zwei gegenüberliegenden Kanten einklemmt oder gar nur eine, die zweckmäßig parallel zur Biegeachse verläuft

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims (6)

Paten ta nsprüche:

1. Vorrichtung zum Erzeugen von aufeinanderfolgenden Flüssigkeitstropfen in parallelen Strahlen. insbesondere für Tintenstrahldrucker, mit einer Verteilerkammer, die an «ine Quelle für unter statischem Druck stehende Flüssigkeit angeschlossen ist, mit einer Reihe von Düsen in Verbindung steht und zur Beaufschlagung der Düsen mit Druckschwankungen ein Vibratorglied aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Vibratorglied (H) als mit seimem Randgebiet (20) zwis-hen Gehäuseteilen (10, 12) eingeklemmte, die Verteilerkammer in zwei Teile (15,16) unterteilende elastische Folie mit einem durch mindestens zwei Schütze (23) vom Randgebiet (20) getrennten, schwingungsfähigen Mittelteil (22) ausgebildet ist an dem auf der den Düsen (33) abgewandten Seite mit einen» Oszillator (28) zur Bereitstellung elektrischer Treibimpulse verbundene, streifenförmige, piezoelektrische Wandler (24) angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die streifenförmigen Wandler (24) voneinander gleich beabstandet sind und parallel zu den beiden Schlitzen (23) im Vibratorglied (11) verlaufen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die rechtwinklig zum Vibratorglied (11) verlaufende Dimension eines jeden der beiden Verteilerkammernteile (15, 16) einem Viertel der Wellenlänge bei der Arbeitsfrequenz des Vibratorgliedes (11) entspricht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß zur Verhinderung von Durchbiegungen zweiachsiger Krümmung auf dem Vibratorglied (IS) Versteifungselemente angebracht sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Versteifunfcselemente parallel zur einachsigen Krümmungsachse verlaufende Versteifungsleisten (45) darstellen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß als Versteifungselemente eine wellblechartige, auf den Mittelteil (22) des Vibratorgliedes (11) aufgebrachte Auflage dient, deren Wellen-Spitzenlinien parallel zur einachsigen Krümmungsachse des Vibratorgliedes (11) verlaufen.