DE2460913A1

DE2460913A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung einer folge von gleich grossen und gleich beabstandeten fluessigkeitstropfen

Info

Publication number: DE2460913A1
Application number: DE19742460913
Authority: DE
Inventors: James Howard Eaton
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1974-01-31
Filing date: 1974-12-21
Publication date: 1975-08-07
Also published as: FR2259647B1; US3878519A; FR2259647A1; JPS50110230A; DE2460913C2; IT1027657B; GB1452866A; JPS5413783B2; CA1013019A

Description

Böblingen, den 18. Dezember 1974 ki/se

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: YO 972 110

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung einer Folge von gleich großen und gleich beabstandeten Flüssigkeitstropfen

Die Erfindung geht von einer im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art aus.

Es ist allgemein in der Tintenstrahldrucktechnik bekannt, die Tintentropfen wahlweise in einer Richtung rechtwinklig zur Papierbewegung abzulenken, um die Tropfen auf gewünschte Stellen des zu bedruckenden Papieres zu bringen. An den Stellen, an denen Tropfen nicht erwünscht sind, werden die Tropfen wahlweise in eine Tintenauffangblende abgelenkt, um sie vor ihrem Aufschlagen auf das zu bedruckende Papier aufzufangen.

In der Tintenstrahldrucktechnik ist es auch bekannt, eine Vielzahl von Düsen zu verwenden und jeder Druckposition je eine Düse zuzuordnen. Wenn somit alle Tropfen gegen das Papier gerichtet wären, würde dasselbe gleichförmig mit Tinte bedeckt werden. Der Druck wird erreicht durch wahlweises Ausblenden der unerwünschten Tintentröpfchen aus den jeweiligen Tintentropfenströmen, was gewöhnlich durch Ablenkung in eine Tintenauffangblende geschieht. Es ist gebräuchlich, für die wahlweise Ablenkung der Tintentropfen, sie entsprechend elektrisch aufzuladen und sie danach durch ein gleichfömiges, elektrisches Feld zum Zwecke der Ablenkung hindurchzuschicken (USA-Patentschrift 3 596 275). Die Größe der Ablenkung für einen gegebenen Tropfen

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ist somit proportional zur vorher ausgewählten elektrischen Ladung und umgekehrt proportional zu seiner Masse und Geschwindigkeit. Die Ladung eines Tropfens wird bestimmt durch das auf den Tropfen einwirkende elektrische Feld zum Zeitpunkt seines Ablösens vom Tintenstrahl.

Es ist gebräuchlich, für das Aufladen der Tintentropfen einen, den Punkt des Ablösens des Tropfens vom Tintenstroms umgebenden Zylinder (Ladetunnel) mit einer Spannung zu beaufschlagen. Somit ist es wichtig, sowohl die Zeit als auch den Ort des Ablösens des Tropfens vom Tintenstrom genau zu bestimmen, so daß eine vorgegebene zeitlich gesteuerte Spannungsimpulsfolge die Tropfen entsprechend auflädt. Lösen sich die Tropfen zeitlich und örtlich gesehen nicht genau vom Tintenstrom, können sie eine falsche Ladung erhalten _f wodurch, sie gegen ungewünschte Druckpositionen abgelenkt werden.

Die genaue Zeit und der genaue Ort des Tropfenablösens wird bestimmt durch Synchronisation, so daß sie mit gleichen Zeitintervallen und mit richtiger Phasenlage den Lagetunnel passieren. ZusätBlich wird die durch das Ablösen verursachte Störung in eine Amplitude umgewandelt, um den gewünschten Ablösepunkt innerhalb des Ladetunnels zu erhalten.

Verschiedene Möglichkeiten der Synchronisation der Tropfen wurden bereits vorgeschlagen. Beispielsweise ist es bekannt, die Düse mit Hilfe eines piezoelektrischen Kristalles mit Kräften von einer gewünschten Frequenz zu beaufschlagen* Bei Verwendung einer derartigen Anordnung zur Auflösung des Tintenstromes in einzelne Tropfen kann die einer einzelnen Düse für die Erzeugung einer Vibrationsfrequenz zugeführt Kraft auch benachbarte Düsen beeinflussen, wenn dieselben sehr nah voneinander, beispielsweise mit einem Teilungsabstand von 0,025 mm angeordnet sind. Die übertragung der Schwingungen auf eine benachbarte Düse kann die Phase des Ablösezeitpunktes eines Tropfen dieser benachbarten Düse verändern.

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Es ist die Aufgabe der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung, einen Weg aufzuzeigen, der es ermöglicht, eine Folge gleich großer und' gleich beabstandeter Tintentropfen synchron, ohne der Anwendung mechanischer Kräfte zu erzeugen. Bei einem nach der Erfindung aufgebauten Tintenstrahldrucker- können, falls mehrere Düsen vorzusehen sind, dieselben eng benachbart angeordnet werden, da die Tropfenbildung der einen Düse keinen schädlichen Einfluß auf die Tropfenbildung benachbarter Düsen ausübt. Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß eine gleiche Teilung des Tropfenabstandes erhalten wird und daß steuerbar ist, ob und wo jeder Tropfen auf dem zu bedruckenden Papier auftreffen soll.

Es ist klar, daß die Düseninnenflächen wenigstens im Bereich ihrer Austrlttsöffnung mit einem Material überzogen sein sollten, beispielsweise mit Teflon, das ein Benetzen der Düseninnenfläche verhindert.

Die erfindungsgemäße aufeinanderfolgende Beaufschlagung des Strahles mit Energie und die Geschwindigkeit des Strahles bestimmen den Zwischenraum zwischen den einzelnen Tropfen. Die Lage des Ablösepunktes des Tropfens wird im wesetlichen durch die jedem einzelnen Impuls innewohnende Energie bestimmt. Da die Oberflächenspannung des Strahles direkt proportional zum Innendruck innerhalb des Strahles ist, verursacht eine Abnahme der Oberflächenspannung innerhalb eines betrachteten Abschnittes des Strahles eine Herabsetzung des Innendruckes innerhalb dieses Abschnittes. Diese Innendruckverminderung hat denselben Effekt wie eine Vergrößerung des Durchmessers dieses Abschnittes, da der Innendruck umgekehrt proportional zum Durchmesser des Strahles ist. Somit ruft beim erfindungsgemäßen Verfahren eine Verminderung des Innendruckes innerhalb eines ersten Abschnittes eine gegenüber diesem Abschnitt relative Erhöhung des Innendruckes " nerhalb eines zweiten Abschnittes hervor, wodurch die Flüssig-'*<■·'t "ieses zweiten Abschnittes eine Kr:.ft entgegen den ersten JjL„ Vf·.· tt er wickelt. Dadurch ergibt i-h eine weitere Verminde-

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rung des Druckes des ersten Abschnittes, dessen Innendruck schon gesenkt ist, da der Durchmesser des ersten Abschnittes zunimmt, um sich an das größere Volumen anzupassen, so daß eine positive Rückkopplung entsteht, die ein Ablösen von Tropfen vom Strahl verursacht. Durch Auswahl der Abschnitte, die durch die Beaufschlagung mit Energie definiert sind, derart, daß diese Abschnitte normalerweise nicht größer als die Durchschnittslänge von Tropfen sind, die bei einem willkürlichen Zerfall des Strahles entstehen würden, kann eine Synchronisation der Tropfenbildung erzielt werden.

Weitere Merkmale der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

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

Es zeigen:
Fig. 1

ein Schema eines Tintenstrahldruckers mit einer Quelle für Energie, die einem Tintenstrahl zugeführt wird, um zum Zwecke des Drückens eine synchrone Tropfenbildung zu erzielen.

Fig. 2

ein Schema einer anderen Ausführungsform der Quelle für die Energie, die zur synchronen Tropfenbildung nötig ist,

Fig. 3

einen Schnitt durch einen Teil der Düse entlang der Linie 3-3 der Fig. 4,

Fig. 4

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eine Draufsicht auf die Düse nach Fig. 3 mit einer elektrischen Heizvorrichtung und ihrer Steuerung,

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Fig. 5 einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform einer Düse entlang der Linie 5-5 in Fig. und

Fig. 6 eine Draufsicht auf die Düse nach Fig. 5.

Magnetische oder nichtmagnetische Tinte wird von der Tintenquelle 10 unter Druck der Düse 11 zugeführt. Durch die öffnung 14 der Düse 11 wird somit der Tintenstrom 12 hindurchgepreßt. Nach dem Passieren der öffnung 14 wird der Tintenstrom 12 dem modulierten Lichtstrahl 15 ausgesetzt, den die Lichtquelle 16 mit hoher Intensität ausstrahlt. Die Lichtquelle 16 kann ein Gaslaser, beispielsweise ein Helium-Neongaslaser darstellen. Dieser Laser wirkt kontinuierlich, da er bei der gewünschten Frequenz in der Größenordnung von 100 kHz nicht ein- und ausschaltbar ist.

Um den Lichtstrahl 15 von der Lichtquelle 16 intermittierend gegen den Tintenstrom 12 zu richten, ist zwischen der Lichtquelle 16 und dem Tintenstrom 12 der Modulator 17 angeordnet. Der Modulator 17 kann beliebiger geeigneter Art sein und besitzt die Steuerung 16 zum Ein- und Ausschalten der Beaufschlagung des Tintenstromes 12 mit dem Lichtstrahl 15.

Der Modulator 17 kann beispielsweise aus Glas mit einer Chrommaske bestehen, die einen Schlitz für den Hindurchgang des Lichtes besitzt. Der Modulator 17 kann auch ein akustischer Ablenker sein, der das Licht in Übereinstimmung mit der Steuerung 16 verschiebt, so daß beispielsweise eine Fokussierungslinse innerhalb des Modulators 17 den Lichtstrahl nicht gegen den Schlitz in der Chrommaske richtet. Wenn der akustische Ablenker durch die Steuerung 16 inaktiv ist, wird der Lichtstrahl durch den Schlitz fokussiert, so daß der Lichtstrahl den Schlitz passiert und durch eine weitere Linse aus dem Modulator 17 austritt.

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Jedesmal wenn der Lichtstrahl 15 auf einen Abschnitt des Tintenstromes 12 auftritt, der nicht transparent gegenüber dem Lichtstrahl 15 sein muß, wird das Licht innerhalb des genannten Abschnittes in Wärme umgewandelt. Diese Umwandlung von Licht in Wärme senkt die Temperatur innerhalb dieses Abschnittes, wodurch seine Oberflächenspannung vermindert wird, da die Oberflächenspannung des Tintenstromes 12 umgekehrt proportional zu seiner Temperatur ist.

Jedesmal wenn der Lichtstrahl 15 auf einen Abschnitt des Tintenstromes 12 während eines vorherbestimmten Zeitintervalles auftrifft, wird die Oberflächenspannung desselben vermindert. Die Geschwindigkeit des Tintenstromes 12 bestimmt der während des vorherbestimmten Zeitintervalles dem Lichtstrahl 15 ausgesetzte Abschnitt des Tintenstromes, Als Ergebnis der Verminderung der Oberflächenspannung von einander beabstandeter Abschnitte des Tintenstromes 12 zerfällt derselbe in Tropfen 19 von im wesentlichen gleicher Größe, wobei die einzelnen Tropfen einen im wesentlichen gleichen Teilungsabstand aufweisen.

Bevor die Tropfen 19 gebildet werden, tritt der Tintenstrom 12 in die Ablenkstation 20 ein, die an die Ablenksignalquelle 21 angeschlossen ist. In der Ablenkstation 20 werden die Tropfen 19 zum Zeitpunkt ihres Ablösens vom Tintenstrom aufgeladen. Die Ablenksignalquelle 21 liefert der Ablenkstation 20 ein Signal, um zu bestimmen, ob jeder der Tropfen 19 in die Tintenauffangvorrichtung 22 gelangt, von wo aus die Tinte in das Reservoir der Tintenquelle 10 zurückgeführt wird oder ob der Tropfen auf das zu bedruckende Papier 23 auftritt, das sich horizontal in einer zur Zeichenebene in den Figuren 1 und 2 rechtwinkligen Ebene bewegt. Die Auftreffpositon der Tropfen 19 auf dem zu bedruckenden Papier 23 kann durch die Größe des Signales, das der Ablenkstation 20 zugeführt wird, bestimmt werden. Wird eine Mehrzahl von Düsen bzw. Tintenströmen verwendet, verursachen die Abfühlstationen 20, daß ihre Tropfen 19 entweder in die Tintenauffangvorrichtung 22 gelangen oder zu gleichen Zeitpunkten auf glei-

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chen Positionen des Papieres 23 auftreffen. In diesem Fall wird das Papier 23 vertikal bewegt, wobei eine Mehrzahl von Düsen in der Horizontalen angeordnet sind.

Die Steuerung 18 für den Modulator 17 und die Ablenksignalquelle 2-1 müssen synchronisiert sein, damit letztere die gewünschte Ladung auf dem Tropfen 19 erzeugt, wenn derselbe sich innerhalb der Ablenkstation 20 befindet. Die gewünschte Ladung ergibt die gewünschte Ablenkung des Tropfens 19.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist der Tintenstrom 12 dem Lichtstrahl 30 ausgesetzt, der von der Lichtquelle 31, beispielsweise einer lichtemittierenden Diode oder einem Laser ausgestrahlt wird. Der Lichtstrahl 30 wird durch die mit der Lichtquelle 31 verbundene Steuerung 32 moduliert. Somit steuert die' Steuerung 32 die Zeitintervalle, während denen die Lichtquel-Ie 31 einen Abschnitt des Tintenstromes 12 mit dem Lichtstrahl 30 beaufschlagt, wobei der Tintenstrom 12 für den Lichtstrahl 30 nicht transparent ist.

Demzufolge ist die Lichtquelle 31 eine Quelle von Energie für das Herbeiführen einer thermischen Störung oder Änderung innerhalb der genannten Abschnitte des Tintenstromes 12. Diese Umwandlung der Energie des Lichtstrahles 30 in Wärme erzeugt die gewünschte Temperaturzunähme in den voneinander beabstandeten Abschnitten des Tintenstromes 12, wodurch die Oberflächenspannung dieser Abschnitte verringert wird, so daß eine synchrone Tropfenbildung eintritt. Ansonsten ist die Wirkungsweise die gleiche wie beschrieben, wenn die Lichtquelle 16 der Fig. 1 verwendet wird und mittels der Steuerung 32 Synchronisation mit der Ablenksignalquelle 21 aufrecht erhalten wird.

Weil die Lichtquelle 31 relativ klein sein kann und zwischen ihr und dem Tintenstrom 12 kein Modulator erforderlich ist, weil derselbe lediglich durch die Steuerung 32 reguliert wird, kann die Lichtquelle 31 in unmittelbarer Nachbarschaft des

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Tintenstromes 12 angeordnet sein, beispielsweise einen Durchmesser des Tintenstromes 12 von demselben beabstandet. Daraus resultiert, daß mit der Lichtquelle 31 nicht wie bei der Lichtquelle 16 eine Linse erforderlich ist.

Die in den Fign. 3 und 4 gezeigte weitere Ausführungsform sieht eine elektrische Heizvorrichtung 35, die eine Dünnflimwiderstand oder eine induktive Vorrichtung sein kann, vor. Die Heizvorrichtung 35 ist innerhalb der öffnung 36 der Düse 37 angeordnet, die in der gleichen Weise wie die Düse 11 an der Tintenquelle 12 angeschlossen ist.

Die elektrische Heizvorrichtung 35 ist über die Klemmen 38, 39 mit der Steuerung 40 verbunden. Die letztere regelt die Heizvorrichtung 35, indem sie die Zeit steuert, während der dem jeweiligen Abschnitt des Tintenstromes 12 Wärme zugeführt wird.

Wenn die Heizvorrichtung 35 aus einem dünnen Widerstandsfilm besteht, erfolgt die Wärmeübertragung auf den Tintenstrom 12 über Wärmeleitung, wodurch die Oberfläche des jeweiligen Abschnittes des Tintenstromes 12 heißer wird als das Innere dieses Abschnittes. Da die Wärme der Oberfläche des Tintenstromes 12 zugeführt wird, hilft dies die Oberflächenspannung des jeweiligen Abschnittes des Tintenstromes 12 zu vermindern.

Der dünne Widerstandsfilm kann auf irgendeinem geeigneten Material, beispielsweise aus Kupfer oder Nickelchrom bestehen.

Eine induktive Heizvorrichtung 35 überträgt die Wärme auf den Tintenstrom 12 mittels Induktion. Als Ergebnis wird eine thermische Steuerung oder Änderung in dem Abschnitt des Tintenstromes 12, in dem die Wärme induziert wird, durch Umwandlung erzeugt, in der gleichen Weise, als'wenn Licht zugeführt werden würde.

Die "»üse 37 besteht vorzugsweise aus einem Isoliermaterial, YO 972 110

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beispielsweise aus Quarz. Besteht dagegen die Düse 37 aus einem Metall, muß die Heizvorrichtung 35 gegenüber der Düse 37 elektrisch isoliert sein. Bei einer derartigen Anordnung ist zwischen der Düse 37 und der Heizvorrichtung 35 mit ihren Kontakten 38, 39 ein Isoliermaterial, wie Siliziumdioxid angeordnet. '

Der Tintenstrom 12 kann transparent sein, wenn die zuletzt beschriebene Ausführungsform verwendet wird. Bei dieser Ausführungsform ist das übrige Verfahren das gleiche wie das in Verbindung mit Fig. 1 beschriebene, jedoch mit der Synchronisation der Steuerung 40 mit der Ablenksignalquelle 21.

In den Fign. 5 und 6 ist eine Änderung des Aufbaues der Fign. 3 und 4 gezeigt, die darin besteht, daß die Heizvorrichtung 45, die aus einem dünnen. Widerstandafilm bestehen kann oder auch eine induktive Heizvorrichtung sein kann_f die Öffnung 46 der Düse 47 nicht vollständig, sondern nur teilweise umgibt. Außerdem ist die Heizvorrichtung 45 innerhalb der Düse so angeordnet, um, wie in Fig. 5 gezeigt ist, mit der Oberfläche der Öffnung 46 eine Strömungslinie zu bilden.

Die Heizvorrichtung 45 ist mittels der Klemmen 48, 49 mit der Steuerung 50 verbunden. Die Düse 47 ist vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Material, wie Quarz hergestellt, Wenn die Düse 47 aus Metall besteht, muß eine Isolation, beispielsweise Siliziumdioxid die Heizvorrichtung 45 mit ihren Klemmen 48, 49 gegenüber der Düse 47 isolieren.

Die Steuerung 50 wirkt in der gleichen Weise wie die Steuerung 40 und bestimmt, wann die Heizvorrichtung 45 ein- und ausgeschaltet ist. Die Steuerung 50 ist mit der Ablenksignalquelle 21 synchronisiert. Im übrigen ist das Verfahren das gleiche wie das in Verbindung mit Fig. 1 beschriebene.

Die Heizvorrichtung 45 kommt mit einer geringeren Energie als die Heizvorrichtung 35 aus. Durch Erwärmung eines Teiles der

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Oberfläche des betrachteten Abschnittes innerhalb des Tintenstromes 12 nimmt die Temperatur bei Verwendung eines dünnen Widerstandsfilmes als Heizvorrichtung 45 innerhalb des genannten Teiles des betrachteten Abschnittes ausreichend zu, um die Oberflächenspannung dieses Abschnittes herabzusetzen.

Während die Heizvorrichtung 45, die nur teilweise den Tintenstrom 12 umgibt, so angeordnet ist, um mit der Innenfläche der Öffnung 46 eine Strömungslinie zu bilden, könnte sie natürlich auch so innerhalb der Öffnung 46 der Düse 47 angeordnet sein, wie die Heizvorrichtung 35 (Fign. 3 und 4). In ähnlicher Weise kann natürlich auch umgekehrt die Heizvorrichtung 35 mit ihrer Öffnung 36 eine Strömungslinie bilden.

Anstatt die Heiz vor. richtung 45 innerhalb der Düse 47 so anzuordnen, daß sie mit der Öffnung 46 eine Strömungslinie bildet, kann natürlich auch die Lichtquelle 31 innerhalb der Düse 47 angeordnet sein. Somit ist es nicht notwendig, daß die Lichtquelle 31 außerhalb der Düse, wie in Fig. 2 gezeigt ist, angeordnet ist.

Um zu zeigen, wie die Reduzierung der Oberflächenspannung eines Flüssigkeitsstromes Tropfen von im wesentlichen gleicher Größe und im wesentlicher gleichen Teilungsabstand erzeugt, wird als Beispiel ein Strom aus Wasser durch einen dünnen Widerstandsfilm, der aus 80 % Nickel und 20 % Chrom besteht, erwärmt. Wenn die Temperatur des Wassers von 20 auf 30 ⁰C erhöht ist, vermindert sich die Oberflächenspannung von 72,75 Dyn/cm auf 71,18 Dyn/cm («Abnahme um 2,4 %). Da der innere Druck eines Tintenstromes oder Flüssigkeit direkt proportional zur Oberflächenspannung und umgekehrt proportional zu seinem Durchmesser ist, hat die Temperaturerhöhung um 10 ⁰C an der Oberfläche des Wasserstromes den gleichen Effekt auf den inneren Druck, wie eine Zunahme des Durchmessers des Stromes um 2,4 %.

Wird angenommen, daß der Tintenstrom einen Durchmesser von 0,025 mm hat, erzeugt eine 2,4 %ige Änderung der Oberflächenspan-

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nung bei einem 0,025 mm langem Abschnitt bei 0,09 mm Intervallen eine Durchmesserzunähme um 2,4 % innerhalb von ungefähr 5 Mikrosekunden, da, wie später erklärt wird, es bekannt ist, daß die Zeitkonstante der Strominstabilität eine Störung verursacht von doppelter Größe in ungefähr 5 Mikrosekunden und da die anfängliche 2,4 %ige Verminderung der Oberflächenspannung gleich ist einer Durchmesservergrößerung um 2,4 %.

Wie in "Auflösen eines laminaren kapillaren Düsenstromes einer viskoelastischen Flüssigkeit" von M. Goldin auf Seiten 689 bis 711, Vol. 38, Teil 4 des "Journal of Fluid Mechanics (1969) hervorgeht, ist die Wachstumsrate einer Durchmesserstörung gegeben, durch d(t) = d_Qe , wobei d die Größe der Störung ist, wenn die Zeit t = 0 und d(t) gleich ist der Größe der Störung, wenn die Zeit gleich oder größer 0 ,ist. Bei Vernachlässigung der Viskosität ist in der Gleichung 19 auf Seite 693 der zuvor genannten Literaturstelle a_Q* gegeben durch

f (

wobei die Oberflächenspannung für Wasser ungefähr 70 Dyn cm""

_3 ist und ρ gleich ist die Dichte, die für Wasser 1 Gramm cm beträgt, und a der Radius des Flüssigkeitsstromes ist. Bei einem Düsendurchmesser von 0,025 mm ist a = 0,0125 mm. Somit .

_α * = f ⁰ [

⁷⁰ * ^1/2 = 0.134 χ 10⁶,

2 (12.5 χ

cc_o*t Eine Störung der Größe d_ wird verdoppelt, wenn e =2 ist.

Entsprechend ist ot_n*t = In 2, so daß t = ist. Mit α_Λ* =

υ α ₀* O

0,134 χ 10⁶ ist t = 5,17 χ 1θ"⁶ Sek. Somit ist für einen Durchmesser von 0,025 mm eines Wasserstromes die Durchmesserstörung verdoppelt in ungefähr 5 χ 10 Sekunden.

Da das willkürliche Auflösen eines Tintenstromes bis zur Tropfenbildung ungefähr 100 Mikrosekunden benötigt, nachdem der Tinten-YO 972 110

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strom die Düse verlassen hat, ist es notwendig, daß das Auflösen des Stromes in eine gesteuerte Tropfenbildung vor dieser Zeit erfolgt. Deshalb kann die Verminderung des Durchmessers eines Stromes in der Nähe des Düsenausganges eine gesteuerte Tropfenbildung in 100 Mikrosekunden sichergestellt werden, wenn die Störung des Durchmessers alle 5 Mikrosekunden verlegt wird von dem Punkt der Tropfenbildung um die Hälfte zurück zum Ausgang der Düse, da dies das Gegenteil der alle 5 Mikrosekunden erfolgenden Verdopplung der Störung von der Düse zum Tropfenbildungspunkt darstellt. Somit 1/2 ⁰⁰Z^ = io Stromdurchmesser, so daß eine Störung von 2,54 χ 10 mm in einem Strom von einem Durchmesser von 0,025 mm ausreichend ist, um Tropfen gleichen Teilungsabstandes in 100 Mikrosekunden aus dieser Störung zu erzeugen. Dementsprechend würde eine 7,62 χ 10 mm Störung eine willkürliche Störung vollständig dominieren und eine Tropfenbildung in ungefähr 75 Mikrosekunden verursachen.

Um festzustellen, ob in diesem Zeitintervall genügend Wärme in das Wasser fließt, wird die einen Durchmesser von 0,025 mm aufweisende Düse, welche einen Flüssigkeitsstrom des gleichen Durchmessers erzeugt, näherungsweise durch zwei voneinander um 0,025 mm entfernte Platten gebildet und wird die Temperaturstörung in einer Platte verwendet, die in Fig. 104 auf Seite 305 von "Mathematical and Physical Principles of Engineering Analysis" by Walter C. Johnson (First Edition, 4. Drucklegung) gezeigt ist. Fig. 104 zeigt die Temperaturetörung in einer Platte als eine Funktion der Zeit, beginnend mit einer gleichförmigen Temperatur in der Platte und einem darauf erfolgenden Aufrechterhalten einer konstanten Temperatur an der Oberfläche der Platte, wobei die letztere Temperatur gegenüber der zuvor genannten gleichförmigen Temperatur unterschiedlich ist. Hierin sind mehrere Kurven gezeigt, wobei jede unterschiedlichen Werten von Bt zugeordnet ist, wobei B eine Konstante und t die Zeit

ist und B = _|—Ü- beträgt. In dieser Gleichung ist k die L c ρ

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thermische Leitfähigkeit, die 6_fO4 χ 1O~³ watt cm."¹ °K~¹ bei 20 C für Wasser beträgt und L der Zwischenraum zwischen den Platten ist, der 0,025 mm gewählt wurde, und c die spezifische Wärme darstellt, die 4,18 watt sek. gm~ °C~ für Wasser be-

-3

trägt und ρ die Dichte ist und ein Gramm cm für Wasser beträgt. Somit ist für Wasser bei 20 ⁰C B = 2,3 χ 10³ Sek."¹.

-2
Wenn Bt = 10 , ist die Temperatur aus' der genannten Figur 104 näherungsweise eine gerade Linie, welche die Oberflächentemperatur θ von 0° und =- - 0,1 verbindet. Somit beträgt mit Bt = 10~², t - 4,35 χ 10 Sekunden.

Wenn die Oberflächentemperatur von Wasser um 20° über seine innere Temperatur erhöht ist, ist die in einen 0,025 mm langen Abschnitt eines Wasserstromes, der einen Durchmesser von 0,025 mm aufweist, eingegebene Wärmeenergie _f wenn die Wärme nur der äußeren Schicht des eine Dicke von 0,025 mm aufweisenden Stromes zugeführt wird, das Produkt aus (20 ⁰C χ 0,5), (2,5 χ 10~⁴ cm), (ϊϊ χ 2,5 χ 1O~³ cm), (2,5 χ 10~³ cm) und (4,18 watt sek gm~¹ °c"¹) mit einer Durchschnittstemperatür von 20 ⁰C χ 0,5 in der 0,0025 mm dicken äußeren Wasserschicht _r der die Wärme zugeführt wird, wobei 11x2,5x10 cm die Breite des Wasserstromes und seines ümfanges ist, die Länge des Wasserstromes, dem die Wärme zugeführt wirdf 2,5 χ 10 cm beträgt und die spezifische Wärme von Wasser 4,18 watt sek gm~ °G~ ist. Dies erzeugt eine Wärmeenergie

—7 ~»fi

von 2,05 χ 10 watt sek. Mit dieser 4,35 χ 10 Sekunden lang zugeführten Wärmeenergie beträgt die Eingabeenergie in das Wasser ungefähr 0,05 Watt. Mit einem 50 %igen Arbeitsspiel und einem 50 %igen Wirkungsgrad der Wärmeübertragung von einem dünnen Widerstandsfilm in das Wasser, erscheint eine Energieeingabe von 0,05 Watt in den Wasserstrom ausreichend.

Somit kann ausreichende Wärmeenergie dem Wasserstrom zugeführt werden, um innerhalb der notwendigen Zeit seine Oberflächenspannung um 2,4 % zu vermindernρ Wenn ein dünner Film aus Nickel- .

-4

chrom (80 % Nickel und 20 % Chrom) mit einer Dicke von 10 cm

als Heizvorrichtung verwendet wird, werden 70 % der Wärme abge-YO 972 110 ■

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geben, wenn Bt entsprechend der Fig. 104 der zuletzt genannten Literaturstelle gleich 1,0 ist. Für Nickelchrom ist B ungefähr

0,3 χ 10~⁹, da k gleich ist 0,12 Watt cm"¹ °K~¹ und L gleich

-4 -3

ist 10 cm und cp ungefähr 4 Wattsek. cm beträgt. Mit

B β 0,3 χ 10⁹ ist t 33 χ 1O~⁹ Sekunden, so daß 70 % der Wärme von einer 1O~ cm dicken Heizvorrichtung aus Nickelchrom in 33 Nanosekunden abgegeben werden würde.

Der Widerstand, der aus einem dünnen Widerstandsfilm bestehenden

rl Heizvorrichtung ist bestimmt durch die Gleichung R = ^-. In

dieser Gleichung ist r der spezifische Widerstand von Nickelchrom, der 100 χ 10 Ohm/m beträgt, ist 1 die Länge der Heizvorrichtung und ist A die Fläche des Widerstandsheizelements der Heizvorrichtung .

Die Widerstandsheizvorrichtung_35 (Fig. 4) kann als zwei Wider-Standsheizelemente der Länge —ψ- angesehen werden, die elektrisch parallel geschaltet sind, wobei d der Durchmesser der Düse ist. Der Düsendurchmesser beträgt 0,025 mm, da er einen Flüssigkeitsstrom von 0,025 mm Durchmesser umgibt. Somit ist jedes Heizelement ungefähr 0,0375 mm lang.

Da sich, die Heizvorrichtug über die gesamte Länge des Abschnittes des Stromes erstrecken sollte, der zu erhitzen ist, sollte sie 0,025 mm lang sein und dies ist ihre Breite, soweit sie zur Bestimmung ihres Widerstandes dient. Die Dicke der Heizvorrichtung beträgt 0,025 mm, da dies die Dicke ist, die für die Errechnung von B in Bt für Nickelchrom verwendet wurde. Somit ergibt sich aus R = |~, der Widerstand R von einer Hälfte des dünnen Widerstandsfilmes und beträgt 1,5 0hm.

Dementsprechend ist die aus einem dünnen Widerstandsfilm bestehende Heizvorrichtung verwendbar für die Lieferung einer ausreichenden Wärme in 33 Nanosekunden, um die Oberflächenspannung eines Wasserstromes um 2,4 % zu vermindern. Da dies ein sehr kleiner Teil der Zeit ist im Vergleich mit der zur Verfügung stehenden Periode von YO 972 110

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5 Mikrosekunden, um die Oberflächenspannung eines Wasserstromes um 2,4 % zu vermindern, kann die aus einem dünnen Widerstandsfilm bestehende Heizvorrichtung effektvoll verwendet werden durch Modulation ihrer Wärmeabgabe.

Dementsprechend könnte mit einem Widerstand von 0,75 Ohm in der Heizvorrichtung 35 (Fig. 4) mit ungefähr 0,2 Volt Spannung ausgekommen werden und würden nur 267 Milliampere erforderlich sein, um die notwendige Wärmeenergie von 0,05 Watt zu erzeugen. Somit sind kein großer Strom oder hohe Spannung erforderlich.

Es ist klar, daß die Berechnungen aus dem zuvor genannten Beispiel nur nährungsweise sind und daß sie um eine Größenordnung unterschiedlich sein könnten. Somit könnte die erforderliche Wärme um eine Größenordnung unterschiedlich sein gegenüber der errechneten, jedoch würde dies noch nicht einen größeren Strom oder Spannungswert erfordern.

Während im beschriebenen Beispiel der Flüssigkeitsstrom aus Wasser bestand,■ist es klar, daß er ebensogut aus Tinte unterschiedlicher Oberflächenspannung bestehen könnte. Es würden jedoch die gleichen Berechnungen zu machen sein, um die notwendige Größe des dünnen Widerstandsfilmes,der in der Heizvorrichtung 35 verwendet wird, zu erhalten.

Während die Zeitperiode für die Beaufschlagung des Stromes mit Wärme oder Licht die gleiche sein könnte wie die Zeitperiode während der Strom nicht beaufschlagt wird, ist es klar, daß dies kein Erfordernis für eine zufriedenstellende Arbeit darstellt. Somit könnte die Zeitperiode, während welcher Energie abgegeben wird, kürzer oder länger sein als die Periode, während welcher keine Energie dem Flüssigkeitsstrom zugeführt wird. Es ist nur notwendig, daß die Bildung der Tropfen im wesentlichen vor dem willkürlichen Ablösen der Tropfen eintritt und daß die erzeugte Störung größer ist als irgendeine natürliche Störung des Stromes.

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Der Durchmesser eines jeden gebildeten Tropfens ist eine Funktion der Geschwindigkeit und des Durchmessers des Stromes und der Frequenz, mit welcher der Strom mit Energie beaufschlagt wird. Jedoch die Quantität der Energie wirkt sich nicht auf den Durchmesser des Tropfens aus.

Die Quantität der Energie bestimmt nur den Ablösepunkt des Tropfens vom Strom, d.h. wenn die Quantität der Energie zunimmt, liegt der Ablösepunkt des Tropfens näher an der Düsenöffnung. Natürlich muß die Quantität der Energie ausreichen, um eine Synchronisation der Tropfenbildung zu erzeugen.

Es ist klar, daß die Wellenform der modulierten Energie, die dem Strom zugeführt wird, variieren kann, beispielsweise Rechteckwellenform haben kann oder eine Sinuswelle darstellen kann. Die spezifische Form der zugeführten Energie wirkt sich auf die Tropfenbildung aus und die besondere Energiewellenform ist wählbar, um Satellitentropfen während der Tropfenbildung weitmöglichst auszuschließen.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß eine gleiche Teilung des Tropfenabstandes erhalten wird und daß steuerbar ist, ob und wo jeder Tropfen auf dem zu bedruckenden Papier auftreffen soll.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

Verfahren zur Bildung eines im wesentlichen konstanten Ablösepunktes von Tropfen eines eine Düse verlassenen
Flüssigkeitsstrahles, dadurch gekennzeichnet, daß in
voneinander beabstandeten Abschnitten des Flüssigkeitsstrahles wahlweise die Oberflächenspannung verändert
wird durch anfängliches Vermindern der Oberflächenspannung der genannten Abschnitte innerhalb eines vorgegebenen Teiles der Bewegungsbahn des Flüssigkeitsstrahles, bevor ein willkürliches Zerfallen des Strahles in einzelne Tropfen eintritt, wobei die Größe der anfänglichen Verminderung der Oberflächenspannung dieser Abschnitte überwacht wird durch Steuerung des Ab.lösepunktes derart, daß dieses Ablösen an einem·im wesentlichen konstanten Punkt gleich voneinander beabstandete Tropfen erzeugt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Oberflächenspannungsverminderung' die genannten Abschnitte periodisch mit Energie beaufschlagt werden,
die eine thermische Veränderung in den Abschnitten hervorruft und daß die Quantität dieser Energie zur Bestimmung der Lage des Ablösepunktes der Tropfen gesteuert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie dem Strahl vor seinem Austritt aus der
Düse zugeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie dem Strahl nach dem Verlassen der Düse zugeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie um den gesamten Umfang des Strahles
verteilt dem Strahl zugeführt wird.

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6. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie nur an einem bestimmten Teil des Umfanges des Strahles demselben zugeführt wird.
7.- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Energie Wärme verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Energie Licht verwendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Quantität der Energie während eines konstanten Zeitabschnittes erfolgt und daß zur Synchronisation des Ablösepunktes der Tropfen ein Zeitintervall innerhalb des genannten konstanten Zeitabschnittes überwacht wird.
10. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer an eine Flüssigkeitsquelle angeschlossenen Düse, einer Auflade- und Ablenkstation zwischen der Düse und einem zu bedruckenden Papier, dadurch gekennzeichnet, daß in der Bewegungsrichtung des Flüssigkeitsstrahles gesehen nach der Düse (11) neben dem Strahl (12) eine gegen den Strahl gerichtete Lichtquelle (16 bzw. 31) angeordnet ist, die mit einer ihre Intensität steuernden Steuereinrichtung (18 bzw. 32) verbunden ist.
11. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 7 mit einer an eine Flüssigkeitsquelle angeschlossenen Düse, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Düsenöffnung (36 bzw. 46) eine an eine Steuerschaltung (40 bzw. 50) angeschlossene elektrische Heizvorrichtung (35 bzw. 45) angeordnet ist.
12. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 8 YO 972 110

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mit einer an eine Flüssigkeitsquelle angeschlossenen Düse, dadurch gekennzeichnet, daß eine an eine Steuerschaltung (32) angeschlossene Lichtquelle (31) innerhalb der Düsenöffnung angeordnet ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung (35 bzw. 45) die Düseninnenseite (36 bzw. 46) über ihren gesamten Umfang bedeckt.
14. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung (35 bzw. 45) die Düseninnenseite (36 bzw. 46) nur an einem Teil ihres Umfanges bedeckt.

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