DE2509131A1

DE2509131A1 - Druckkopf fuer tintenstrahl-drucker

Info

Publication number: DE2509131A1
Application number: DE19752509131
Authority: DE
Inventors: Walter Thornton Pimbley
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1974-04-30
Filing date: 1975-03-03
Publication date: 1975-11-13
Also published as: DK186975A; CH575832A5; ES437102A1; FR2269421A1; IT1031598B; FI751254A; JPS5735114B2; GB1469903A; JPS50142120A; NO142972C; CA1014219A; ATA162775A; IL46861A; NO751488L; AT341796B; SE7503939L; SE403734B; FR2269421B1; IL46861A0; US3927410A

Description

Druckkopf für Tintenstrahl-Drucker

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

Es ist bereits vorgeschlagen worden, die Auflösung des Strahls in einzelne Tropfen durch Vibration des Druckkopfes herbeizuführen. Beispielsweise zeigen die US- Patentschriften 3 334 351 und 3 596 275 Druckköpfe, die einen magnetostriktiven Wandler zur Erzeugung der Vibration der Düse verwenden.

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Magnetostriktive Wandler haben allgemein den Nachteil eines relativ großen Volumens. Außerdem sind sie in der Herstellung teuer.

Es ist daher die Aufgabe der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung, einen Druckkopf für Tintenstrahl-Drucker zu schaffen, der sich durch ein kleines Volumen sowie niedrige Herstellungskosten auszeichnet.

Weitere Merkmale der Erfindung sind den ünteransprüchen zu entnehmen .

Einzelheiten der Erfindung sind nachstehend anhand eines in den Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispieles beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Tintenstrahl-Druckkopf,

Fig. 2 einen Schnitt durch die Düsenplatte des

Druckkopfes der Fig. 1,

Fig. 3 eine Ansicht der Schichtstruktur bestehend

aus Düsenplatte, elektrischem Wandler und Reaktionsmas se,

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Fig. 4 einen Schnitt durch die Schichtstruktur gemäss Fig. 3,

Fig. 5 ein Krsatzschaltbild für den Druckkopf

Fig. 6 - verschiedene Kennlinien des ausgeführten Druckkopfes Fig.13 bzw. seines Ersatzschaltbildes.

In Fig. 1 ist eine Tintenstrahl-Düse 1 dargestellt, die eine rechteckige Düsenplatte 2 aufweist, welche mit einem piezoelektrischen Keramikteil 3 verklebt ist, das seinerseits mit einer Reaktionsmasse verklebt ist. Die Düsenplatte'2 umfasst eine im wesentlichen rechteckige Platte aus nicht-rostendem Stahl, die eine Bohrung 5 aufweist, welche an einer Seite mit einem Nippel 6 verbunden .ist, dem mittels eines flexiblen Schlauches unter Druck stehende Tinte zugeführt werden kann. Dafür kommen Drucke in der Grössenordnung von 2...5 bar in Frage. Die Platte hat eine zentrale, mit der Bohrung 5 verbundene Oeffnung 7, die mit einer Edelstein-Düse 8 abgedeckt ist, welch letztere beispielsweise aufgeklebt sein kann. Die Düse 8 hat eine zentrale Oeffnung 9, die zur Bohrung 5 senkrecht ausgerichtet ist und durch welche unter Druck ein Tintenstrom hinausgeschleudert werden Kann. Die Bohrung 5 kann zum Beispiel einen Durchmesser von 0.75 mm aufweisen.

Die Düsenplatte 2 ist, wie erwähnt, auf einer Seite des piezoelektrischen Keramikteils 3 befestigt, dessen gegenüberliegende Seite mit der

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Reaktionsmasse 4 verbunden ist. Diese kann beispielsweise aus einem rechteckigen Block nicht-rostendem Stahls bestehen. Die Reaktionsmasse ist an einem U-fb'rmigen Träger 10 angeordnet, der einen zentralen Teil mit abstehenden Beinen 12 und 13 aufweist, die in abgewinkelte Enden und 15 auslaufen. An diesen sind Blattfedern 16 und 17 mittels Schrauben und 19 angebracht. Die Blattfedern 16 und 17 sind mit auf dem Maschinenrahmen angeordneten Böcken 20 und 21 verbunden und gewähren eine gewisse Bewegungsfreiheit zum Ausrichten der Anordnung. Ein an einer Verdickung 22 des zentralen Teils 11 befestigter.Arm 23 dient zum Ausrichten der Düse 8 und damit des Tintenstrahls mittels einer nicht gezeigten Verstellvorrichtung.

Wie in der Fig. 4 gezeigt können die Düsenplatte 2 und die Reaktionsmasse 4 mit dem Keramikteil 3 durch Klebstoffschichten 24 und 25 verklebt sein, die beispielsweise aus Epoxy-Harz bestehen können. Zur Erzielung einer genauen Ausrichtung zwischen der Düsenplatte 2, der Reaktionsmasse und dem Keramikteil 3 ist es nötig, die Klebstoffschichten 24 und 25 genau zu definieren. Zu diesem Zweck werden Molybdändrähte 26, die zum Beispiel einen Durchmesser von 0.08 mm haben können, in das Epoxy-Harz eingebettet. Während des Aushärtevorgangs werden die zu verklebenden Teile in einer geschlossenen Form gehalten, wobei die Drähte 26 eitian wohldefinierten Abstand zwischen den einzelnen Teilen gewährleisten.

Pie Reaktionsmasse 4 ist mit dem Träger 10 mittels eines Silikor.gummi-Blocks 27 verbunden, der mit dem zentralen Teil 11 und den Beinen 12 und

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13 des Trägers 10 verklebt ist und in welchen die Reaktionsmasse 4 eingelassen ist. Diese Anordnung erlaubt der Düsenplatte 2, dem Keramikteil 3 und der Reaktionsmasse 4, weitgehend unabhängig von der Masse des. Trägers 10 zu schwingen. Leitungen 28 und 29 werden mit der Reaktionsmasse 4 und der Düsenplatte 2 verbunden und zwischen ihnen eine Spannung angelegt, die das piezoelektrische Keramikteil zu Schwingungen anregt, so dass Düsenplatte 2 und Düse 18 longitudinal zum Tintenstrahl schwingen und dem Tintenstrahl eine Geschwindigkeitsstörung aufprägen.

Die Reaktionsfrequenz eines Tintenstrahl-Druckkopfes ergibt sich angenähert aus den Reaktionen, der drei quasi-unendlichen einander benachbarten Abschnitte gemäss den Fig. 3 und 4. Die Medien 1 und III repräsentieren die Düsenplatte 2 und die Reaktionsmasse 4, während das Medium II das piezoelektrische Keramikteil 3 repräsentiert. Die dem Keramikteil 3 aufgeprägten Dickenänderungen verursachen stehende Longitudinalwellen in x-Richtung in allen drei Medien.

Die massgebende Wellenfunktion für dieses physikalische Problem ist

2 2

du _ E d u _(Λ ν

2 " ? ' 2
dt: > dx^Z

wobei Dämpfungseffekte unberücksichtigt bleiben. In dieser Gleichung sind u die Auslenkung, E der Elastizitätsmodul und ο die Dichte.

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Die Lösung der Gleichung (1) für stehende Wellen ist: Medium I:

U₁ = cos Ui t C cos k.. x, . + C_ sin k. x.

Medium II:

U₂ ·= cos to t C cos k„ x„ + C, sin k.

Medium III:

u => cos cot C_c cos k_o x„ + C₁, sin k_

J I -> JJO Δ

; k - ü ; k

2 v₂ J

(3)

und ν , v„, ν , die Wellen-Fortpflaiizungsgeschwindigkeiten in den drei Medien, gegeben sind durch:

?ι'

(4)

In der Gleichung (2) kommen sechs unbekannte Konstanten C bis C, ¹Or₁

L ο

die durch die Bedingungen an den Uebergängen bestimmt sind. An den Uebergängen A und D in Fig. 4 ist die pro Flächeneinheit übettragene Kraft gleich Null. An den Uebergängen B und C ist die Auslenkung u kontinuierlich; die pro Flächeneinheit übertragene Kraft ist diskontinuierlich. Die Diskontinuitäten an diesen beiden Uebergängen sind grössengleich aber entgegegesetzt gerichtet. Diese Diskontinuitäten sind

Druck-Diskontinuität = P cos cot,

(5)

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die der Antriebskraft pro Flächeneinheit aufgrund der piezoelektrischen Vorgänge entspricht.

Die sechs Uebcrgangsbedingungen liefern sechs Gleichungen mit eindeutigen Lösungen für die sechs'unbekannten Konstanten der Gleichung (2). Ueberdies ergeben diese sechs Gleichungen die Resonanzbedingung der Anordnung wie folgt:

cos k^L sin k₂L cos k JJ ⁺ ^₃ cos k L sin k L (6)

+ H₁ sin kj^ j cos k^ ^{COS k}3^L3 ~ ^H

H₁ und H„ sind darin die Fehlanpassungen des akustischen Widerstandes zwischen den Medien I und II beziehungsweise II und III. Sie sind gegeben durch:

E A k E A k

worin Λ , Α_Λ und A die Flächen der drei Medien bedeuten. L₁, L„ und L sind die Längen der Medien I, II und III gemäss Fig.

Die Parameter, die auf den Druckkopf nach Fig. 4 zutreffen, sind:

2,3 mm; L₂=L,= 6,35 mm

4

4,2 * 10 cm/s v, = v„ = 7,6 · 10 cm/s

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Die ersten vier Resonanzfrequenzen, die sich aus Gleichung (6) berechnen lassen, sind

f_x = 101,6 kHz f » 365,7 kHz

(8) f₂ = 238,4 kHz £ = 473,2 kHz

Der Frequenzgang des in Fig. 1 dargestellten Kopfes wurde gemessen. Fig. 6 zeigt den Leitwert über der Frequenz, Fig. 7 zeigt die Phasendifferenz über der Frequenz. In beiden Figuren geben die Punkte die Messwerte an, während die ausgezogene Kurve die Charakteristik des Ersatzschaltkreises der Fig. 5 darstellt, der natürlich nur dem Frequenzbereich von 30 kHz bis 180 kHz angepasst ist. Die erste gemessene mechanische Resonanzfrequenz liegt bei 103,3 kHz, mit einem entsprechenden Parallelresonanzpunkt bei 120,5 kHz.

Bei der Konstruktion eines Tintenstrahl-Druckkopfes muss man die Tropfenbildungseigenschaften mit der dem Tintenstrahl durch den Kopf aufgeprägten ursprünglichen Störung in Beziehung setzen. Lord Rayleigh hat als erster eine Analysis vorgeschlagen, die das geforderte Verhältnis beschreibt. Da die von Lord Rayleigh benutzten Anfangsbedingungen für das vorliegende Problem nicht passend sind, wird eine Variante der Analysis in Betracht gezogen.

Es ist möglich, diese Variante der Analysis an einem eindimensionalen Modell zu erklären. Dabei wird ein zunächst zylinderförmiger Strahl

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angenommen, dessen Radius r, Longitudinalgeschwindigkeit ν und Flüssigkeitsdruck P Funktionen der Zeit t und einer Dimension Z sind. Ferner sei das relative Koordinatensystem so gewählt, dass die Gleichstromgeschwindigkeit des Strahls gleich Null ist. Die beiden Differentialgleichungen, die das Abreissen des Strahls in Tropfen beschreiben sind:

dv dt	+ ν	dv dZ	dr²	*	dP dZ
2 r	dv	+ V	dZ	d²r
dZ			dt²

(9)

Hierin ist ξ> die Dichte der Tintenflüssigkeit. Die erste dieser Gleichungen entspricht Newton's zweitem Gesetz für Flüssigkeiten, 1ie zweite Gleichung ist die Kontinuitätsgleichung. Der Druck in der Flüssigkeit wird durch die Oberflächenspannung T verursacht. Angenähert gilt: · ^:

(10)

Mit den Anfangsbedingungen hat man zu setzen

r - a ' "j

\ϊ =·· -ν· sin kz · I

ο *

\-ψ (12)

und a und ν Konstanten sind, A die Wellenlänge der aufgeprägten Störung.

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Die Lösung des beschriebenen Problems, mit Näherungen zu seiner Linearisierung, ist:

ν = ~ ν sin kz cosh ut

r = a

v_ok

1 + -— cos kz' · sinh ut 2u

u - Vg- (1 - a²k²) · (14)

Diese Gleichungen zeigen Lord Rayleighs Schluss. Wenn das Produkt a · k < 1, ist u reell und die radiale Störung nimmt zu, bis ein Tropfen abreisst. Wenn die Wellenlänge der Störung jedoch kleiner ist als der ursprüngliche Umfang des Strahls (a · k > 1) dann gehen die Hyperbelfunktionen in Kreis funktionen über und es ergibt sich ein Gleichgewichtszustand.

Mit v_o wird die Amplitude der dem Strahl mittels des Druckkopfes erteilten Störung bezeichnet. Die Abreisscharakteristik des Strahls hängt aber auch von allen andern Parametern der Analysis a^>. Die Analysis dient also dazu, die beobachtete Charakteristik der Tropfenbildung mit ν zu beschreiben und so den Einfluss der übrigen Parameter auszuschalten.

Die Abreisszeit wird durch Messung der Abreissentfernung von der Düse und Division durch die StrahlgeschwinJigkeit ermittelt, ν kann aus Gleichung (13) berechnet werden, wobei angenommen wird, dass zur Abreisszeit irgendwo r = ο gelten muss:

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4u

v_o = — · e (15)

worin t„ die Abreisszeit bedeutet.

Die Fig. 8 und 9 zeigen die 'Abreisszeit als Funktion des Logarithmus der Amplitude der Anregungsspannung bei zwei konstanten Frequenzen. Aus der geraden Linie kann man schliessen, dass

t_ - - In b - - In V
B c c

-et

V » be

(16) B

worin V die Spannungsamplitude und b und c Konstanten sind. Ein Vergleich mit Gleichung (15) zeigt, dass im gegebenen Bereich die Störung ν zum aufgeprägten elektrischen Signal direkt proportional ist. Ausserdem ist c in Gleichung (16) gleich u in Gleichung (15). Prinzipiell sollte der Tintenstrahl-Drucker immer in dem Bereich betrieben werden, in dem Proportionalität der Störung zum angelegten Signal gegeben ist.

Bei Messungen der Abreisszeit als Funktion der Wellenlänge wurden die Frequenz und die Anregung des Kopfes konstant gehalten. Die Wellenlänge wurde durch Aendern des Tintendrucks variiert, wodurch die Strahlgeschwindigkeit beeinflusst wurde. In den Fig. 10 und 11 sind zwei dieser Messungen dargestellt. Die Kreise beziehen sich auf die Messwerte, die ausgezogene. Kurve repräsentiert die aus den Gleichungen (13) und (15) berechneten theoretischen Werte. Die anfängliche Störungsamplitude ν wurde so gewählt, dass sich beste Uebereinstimmung ergab.

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Ji.

Die Darstellung in Fig. 12 zeigt die Amplitude der Störungsgeschwindigkeit pro Volt des Anregungssignals als Funktion der Geschwindigkeit.

Fig. 13 zeigt die gleiche abhängige Veränderliche aufgetragen über dem Leitwert des Druckkopfes. Die Neigung der Geraden in dieser doppeltlogarithmischen Darstellung zeigt eine direkte Proportionalität zwischen dem Strom durch den Kopf und der sich ergebenden Störung.

Das Ergebnis, wonach die Amplitude der Störungsgeschwindigkeit dem Anregungssignal proportional ist, ist sehr wichtig. Diese Proportionalität hängt ab von der verhältnismässig kurzen Länge der Flüssigkeitssäule parallel zur Achse des Kopfes. Es ist an anderer Stelle gezeigt worden, dass, wenn die Säule eine viertel Wellenlänge lang ist, und als offenes Rohr arbeitet, oder eine halbe Wellenlänge lang ist, und als geschlossenes Rohr arbeitet (wobei die We-llenlänge innerhalb der Flüssigkeit gemessen ist), eine Resonanz auftritt, die das Abreissen der Tropfen fördert. Eine derartige Resonanz würde sich wahrscheinlich nicht als eine Aenderung des Leitwertes des piezoelektrischen Keramikteils manifestieren.

Es wird ein käuflich erhältliches, Einkomponenten-Epoxyharz benutzt, um das piezoelektrische Keramikteil mit den übrigen Teilen zu verkleben. Der Aushärtezyklus für das Epoxy-Harz umfasst das Erhitzen auf 120 C während zwei Stunden. Während sich das Epoxy-Harz erwärmt durchläuft es ein Stadium, in dem es sehr flüssig ist. Da die Klebstoffschicht zwischen 0.025 mm und 0.13 mm dick sein sollte, werden Molybdän-Drähte

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mit einem Durchmesser von 0.075 mm in das Epoxy-Harz eingelegt, um gleichmässige Dicke der Klebstoffschicht zu erreichen, während die Anordnung in einer federbelasteten Form gebacken wird.

Vorstehend wurde eine Tintenstrahl-Druckkopf-Schichtstruktur beschrieben, in welcher ein piezoelektrisches Element verwendet wird, und bei der eine Düse auf der Frontplatte vorgesehen ist. Die Vibration der Düsenplatte und Düse longitudinal zur Strahlrichtung verursacht das Abreissen der Tropfen vom Tintenstrahl. Der Kopf ist relativ flach gehalten und kann einzeln oder in einem Paket angeordnet werden, wobei sechs nebeneinander liegende Köpfe etwa 2,5 cm Raum beanspruchen. Dabei ist zwischen den einzelnen Köpfen noch genügend Abstand vorgesehen, um die Köpfe individuell ausrichten zu können.

Für Anwendungen bei verschiedenen Frequenzen kann der Resonanzpunkt der Anordnung durch geeignete Wahl der Längenabmessungen verschoben werden. Es wird eine Gleichung (6) angegeben, aus der sich die entsprechenden Abmessungen rechnen lassen.

Es wird eine Abwandlung der Theorie vorgelegt, die die Tropfenbiidungs-Charakteristik mit der Amplitude der Störungsgeschwindigkeit an der Düse in Beziehung setzt. Dadurch kann die Wirkung des Druckkopfes auf den Strahl unabhängig vom Verhalten des Strahls nach Verlassen der Düse beobachtet werden.

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Die Amplitude der Störungsgeschwindigkeit wurde als direkt proportional zur Stromamplitude des Anregungssignals beschrieben. Durch Benutzung einer Konstantstromquelle, durch ein mit dem Kopf in Reihe geschaltetes Netzwerk zur Konstanthaltung des Stroms oder durch eine stromsteuernde Riickkopplungsschaltung kann die Reaktion des Druckkopfes ausgeglichen werden.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

Druckkopf für Tintenstrahl-Drucker mit einer Düse, die an ein Tintenreservoir angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein piezoelektrischer Wandler (3) zum Erzeugen einer periodischen Resonanzschwingung zwischen einer die Düse (8) tragenden Düsenplatte (2) und einer Reaktionsmasse (4) angeordnet ist, welche Reaktionsmasse (4) ihrerseits mittels eines Dämpfungsmaterials (27) mit einer Trageranordnung (Ii bis 13) verbünden ist.

Druckkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Düse (8) tragende Düsenplatte (2) auf einerihrer Seiten eine Öffnung (7) aufweist, sowie eine mit dieser öffnung (7) in Verbindung stehende, zu ihr senkrecht angeordnete Bohrung (5) durch welche unter Druck stehende Tinte zugeführt werden kann.

3. Druckkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Düsenplatte (2), piezoelektrischer Wandler (3) und Reaktionsmasse (4) in einer Schichtstruktur mit einander verklebt sind, wobei die Gleichmäßigkeit der Dicke der Klebstoffschicht durch eine Drahteinlage (26) in derselben gewährleistet ist.

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4. Druckkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsmaterial einen mit der Trägeranordnung (11 bis 13) verklebten Gummiblock (27) umfaßt,in den die Reaktionsmasse (4) wenigstens teilweise eingelassen ist.

Druckkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicken L , L₃ und L₃ der Düsenplatte (2), des piezoelektrischen Wandlers (3) und der Reaktionsmasse (4) gegeben sind durch die Beziehung:

O = cos k₁L₁ (sin ^L₃ cos ^L₃ + H₃ cos ^L₃ sin k₃L ) + H₁ sin k₁L₁ (cos ^L₃ cos ^L₃ - H₃ sin k₂L₂ sin

worin H und H₃ die akustische Fehlanpassung zwischen Düsenplatte (2) und Wandler (3) einerseits und zwischen Wandler (3) und Reaktionsmasse (4) andererseits bedeuten und worin k_x = ω/ν_χ, k₂ = ω/ν₂ und k₃ = ω/ν₃ sind, mit ν_χ, V₃ und V₃ gleich den Wellen-Fortpflanzungsgeschwindigkeiten in der Düsenplatte (2), dem Wandler (3) bzw. in der Reaktionsmasse (4), und mit der Kreisfrequenz ω des Anregungssignals des piezoelektrischen Wandlers (3).

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