DE2548928A1

DE2548928A1 - Duese fuer ein tintentroepfchen-schreibsystem sowie verfahren zur herstellung einer solchen duese

Info

Publication number: DE2548928A1
Application number: DE19752548928
Authority: DE
Inventors: Robert Irving Keur
Original assignee: AB Dick Co
Current assignee: AB Dick Co
Priority date: 1974-11-01
Filing date: 1975-10-31
Publication date: 1976-05-13
Also published as: DE2548928B2; AU8606375A; JPS5168133A; CH605144A5; BR7507065A; JPS5648305B2; CA1049087A; DE2548928C3; FR2289348A1; AU476961B2; FR2289348B1; US3972474A; GB1531738A

Description

Patentanwälte Dim.-ING» F. WxICKMAiVN, 2548928

Dipl^-Ing. H. WeιCKMANN, Dipi_-Phys. Dil. K, Fincke D1PL.-IMG. F. A-Weιckmakn, Dipu-Chem. B. Hübei

XI

S MÜNCHEN M, DEN

FOSTFACH SMS20

MÖHISTRASSE 22, RUFNUMMER 9& 3921 ΙίΧΖ

A.B. Dick Cospamj
5700 West ToiAy Ävenme
Ciiicago, Illinois 606A8
¥. St. A.

Düse für ein Tintenta'öpfchen-Sctorei'bsystem sowie Verfahren ztar Herstellmia: einer solchen Düse

Die Erfindung bezieht sieb, auf Tintentröpfcnen-Scbreibsysteme lind insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer verbesserten Düse für die Verwendung in derartigen Scbreibsysteiaen.

In der ÜS-PS 3 6S3 396 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung für den Entwurf einer Düse für ein Tintentröpfchen—Schreibsystem angegeben worden. Dabei ist gezeigt, daß zur Sicherstellung der wirksamsten Leistungsübertragung von der Steuerquelle auf einen Tropf chenbildungsmechanisBras die Düse so auszulegen ist, daß ein ELuid-Resonanzzustand erreicht wird.

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¥ir& die Düse als geschlossenes Rohr betrachtet., so ist die Sciwingungsfrequenz des Fluids in dem Rohr, bei der dessen Lange ein ungerades Vielfaches einer ¥iertelwellenlänge des durch das Fluid in dem Rohr hindurchtretenden Schalles ist, die Fluidresonanzlänge. Diese Länge führt zu der höchsten Leistungsübertragung. Die mechanische Resonanzfrequenz des Rohres tritt nahe bei der Fluidresonanzfrequenz auf«

ITa den. Tröpfchenbildungsprozess zu stabilisieren, Müssen die Änderungen hinsichtlich des Steuerspannungsbedarfs für den Wandler, der die Düse für die Tröpfchenbildung in Schwingungen versetzt, minimiert sein. Die Änderungen in der erforderlichen Steuerspannung ergeben sich gewöhnlich aufgrund von Änderungen in cüPf· aloistischen Koppelung zwischen dem Wandler und dem Fluid. Die meisten Düsen nutzen resanierende Fluidsäulen aus* um Energie in das Fluid, einzukoppeln. Dieses Yerfahren versagt gjedach, wenn sich Fluidparameter ändern (wie die Temperatur, die Konzentration und Schallgeschwindigkeit).

Ist einer Düse eine Länge gegeben, bei der Fluidresonanz auftritt, so hat sich gezeigt, daß Änderungen in der Zusammensetzung oder Temperatur des Fluids die Düse aus der Fluidresonanz herausführen. Dies bewirkt eine erhebliche Steigerung der erforderlichen Steuerleistung. Außerdem führt dies in gewissem Ausmaß zu einer Änderung der Stelle, an der eine Tropfchenablösung iron dem Tintenstrbm bzw. -strahl auftritt. Die zuletzt genannte Erscheinung kann bedeutsam sein, da es nämlich erforderlich ist, auf die Tröpfchen eine Ladung an der Stelle aufzubringen, an der die Tröpfchenablösung von dem Tintenstrahl stattfindet.

In der US-PS 3 771 568 ist bereits gezeigt, daß es in dem Fall, daß die Tinte bzw. Schreibflüssigkeit umgewälzt wird,

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zum Zwecke der Aufrechterhaltung der gewünschten Fluidresonanz erforderlich ist, die Auswirkungen einer Verdampfung auf die Schreibflüssigkeitsparameter zu kompensieren.

Wenn die Zusammensetzung und Temperatur der Tinte bzw. Schreibflüssigkeit derart reguliert werden, daß die Fluidresonanz nahezu konstant bleibt , sind keine Probleme vorhanden. Es hat sich jedoch gezeigt, daß dies einfacher gesagt als getan ist. Benutzer der Anlage können nämlich ihre Tintenvorräte bzw. Schreibflüssigkeitsvorräte von verschiedenen Herstellern beziehen, weshalb die Fluidresonanz der Düse, welche für eine Schreibflüssigkeit eines bestimmten Typs eines Herstellers ausgelegt worden ist, für die Schreibflüssigkeit eines anderen Herstellers nicht geeignet ist. Nicht verbrauchte Tintentröpfchen bzw. Schreibflüssigkeitströpfchen, die in einen die Schreibflüssigkeit an die Düse abgebenden Vorratsbehälter zurückgeführt werden, können - so wirksam sie auch sein sollten - hinsichtlich der Auswirkungen einer- Verdampfung nicht kompensiert werden. Wie angedeutet, kann dies den Betrieb des Tintentröpfchen-Schreibsystems nachteilig beeinflussen.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine Düse für ein Tintentröpfchen-Schreibsystem mit einem Aufbau zu schaffen, der die betreffende Düse weitgehend unempfindlich gegenüber Änderungen in der Schreibgeschwindigkeit der Schreibflüssigkeit bzw. Tinte macht. Ferner soll eine Düse geschaffen werden, deren Betrieb bzw. Leistung unabhängig von den Änderungen der Schreibflüssigkeitsparameter weitgehend unverändert bleibt. Überdies soll ein verbesserter Aufbau für eine Düse angegeben werden, die in einem Tintenstrahl-Schreibsystem verwendet wird.

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Gelöst v/ird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß die Länge der Düse so festgelegt wird, daß deren mechanische Resonanzfrequenz gut über 100 kHz liegt und daß deren mechanische Hauptresonanzfrequenz zumindest bei 70 kHz oder darüber liegt. Diese Werte stehen den Werten der derzeit üblichen Düsen gegenüber, deren Längen so sind, daß sie bei der dritten Oberwellen-Fluidresonanzfrequenz betrieben sind. Die Fluid-Grundresonanzfrequenz liegt in der Größenordnung von 23 kHz, so daß die dritte Oberwelle in der Größenordnung von 70 kHz liegt.

Gemäß der Erfindung ist die Länge der Düse so gewählt, daß deren mechanische Resonanzfrequenz sehr viel höher ist als die gewünschte Betriebsfrequenz. Unter Berücksichtigung der Länge der Fluidkammer ist diese Länge im übrigen kurz genug gewählt, so daß ihre erste Fluidsäulenresonanz hoch genug ist, um die Betriebsfrequenz zu übersteigen. Demgemäß ist die Düse weder von mechanischen Resonanzen noch von Fluidresonanzen bezüglich ihrer akustischen Kopplung mit dem Schreibflüssigkeitsstrahl abhängig. Sie ist weder für eine Fluidparameteränderung noch für eine Temperatüränderung empfindlich.

Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend beispielsweise näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in einem Kurvendiagramm die Abhängigkeit zwischen den Änderungen von erforderlichen Steuerspannungen und der Düsenfrequenz für eine Standarddüse einerseits und für Düsen gemäß der Erfindung andererseits. Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht einer gemäß der Erfindung hergestellten Düse.

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Im folgenden sei die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung näher erläutert. In Fig. 1 zeigt eine Kurve 10 die erforderliche Steuerspannung über einen Frequenzbereich von 50 bis 145 kHz für eine Düse mit Abmessungen gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Abmessungen der Düse gemäß der Erfindung sind als Beispiel so gewählt, daß die erste Fluidresonanz oder Grundfluidresonanz bei 70 kHz liegt. Die dritte Oberwelle liegt gut über 150 kHz. Die mechanische Resonanz fällt in einen Bereich von etwa 250 kHz. Die Kurven 12, 14 veranschaulichen eine Kurve, die von einer Standarddüse gewonnen ist, welche gewöhnlich für eine Grundresonanzfrequenz von etwa 25 kHz ausgelegt ist. Die Standarddüsen werden jedoch gewöhnlich bei ihrer dritten Oberwellenfrequenz betrieben.

Die Betrachtung der Kurven zeigt, daß bei der Standarddüse einige Bereiche vorhanden sind, die eine extrem hohe Steuerspannung erforderlich machen und die äußerst unbrauchbar sind, und zwar nicht nur wegen der Amplitude der erforderlichen Steuerspannungen, sondern auch wegen der Unsicherheiten des Tintenstrahlverhaltens bei diesen hohen Steuerspannungen. Eine Überprüfung der Steigung der Standarddüsenkurven .(dv/df) zeigt, daß die Steigungswerte von -cobis +ao(Volt/Kilohertz) verlaufen.

Die Empfindlichkeitskurve für eine Miniaturdüse verläuft nicht annähernd so extrem. Ihre Neigung liegt zv/ischen -0,7 und +0,7 (Volt/Kilohertz). In der nachfolgend angegebenen Tabelle ist dieser Unterschied dadurch veranschaulicht, daß die prozentual erforderliche Änderung für eine 5?6ige Erhöhung der Schaligeschwindigkeit in der Schreibflüssigkeit bzw. Tinte angegeben ist. Diese Änderung stellt eine Änderung * dar, die auftritt, nachdem die Tinte etwa 500 Stunden lang

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umgewälzt worden ist. Eine Erhöhung der Schallgeschwindigkeit verschiebt die dargestellten Kurven um den Prozentsatz der Änderung, der hier 5% beträgt, nach rechts. Die Spannung ist unten angegeben, oder sie wird aus dem Kurvendiagramm durch eine 5%ige Frequenzversetzung erhalten.

Tabelle

Fi(kHz) F2 (kHz) (

62 65

100 105

85 89

Aus Vorstehendem kann bezüglich der gemäß der Erfindung hergestellten Miniaturdüse folgendes festgestellt werden: Über einen extrem weiten Frequenzbereich ist die prozentuale Änderung der Steuerspannung, die für die Standarddüse erforderlich ist, wesentlich größer als die prozentuale Änderung der Steuer spannung, die für die gemäß der Erfindung hergestellte Miniaturdüse benötigt wird. Demgemäß sind derartige Änderungen, die gewöhnlich durch Änderungen in den Parametern der Schreibflüssigkeit hervorgerufen werden, durch Verwendung der Miniaturdüse sicherlich weit besser erträglich als bei Verwendung der Standarddüse.

Aus dem Kurvendiagramm geht hervor, daß in den Kurven

	5	V2	Standara-	Miniatur	-5
V1		18,5	düse	düse
24		18,5	-30		-4,4
19,		21
26	5	35,5	-23	+7
34		43
25	29,5	+62
27,

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Bereiche ausgewählt v/erden können, die eine Düse gegenüber einer anderen Düse begünstigen würden. Würden z.B. Frequenzwerte von 73 kHz und 77 kHz gewählt werden, so wäre die prozentuale Änderung der Steuerspannung nahezu 0 für die Standarddüse und 13/ί für die Hiniaturdüse. Es dürfte jedoch ersichtlich sein, daß die Hiniaturdüse bei irgendeiner Frequenz von 50 kHz bis 145 kHz verwendet werden kann, während die Standarddüse Ausschlußzonen aufweist, welche sich mit den Schreibflüssigkeits- bzw. Tintenparametern verschieben.

In Fig. 2 ist eine Schnittansicht einer gemäß der Erfindung hergestellten Miniaturdüse gezeigt. Sofern erforderlich, kann die Düse 20 aus einem kurzen Stück eines Injektionsrohres hergestellt sein . Das vordere Ende der Düse ist so geformt, daß es einen Stein bzw. Edelstein 22 mit einem Außendurchmesser von 600/Um aufnimmt, der in die entsprechende Stelle eingeführt oder eingesteckt ist. An der betreffenden Stelle ist eine Epoxydichtung vorgesehen. Die öffnung des Steins beträgt beispielsweise, ohne daß dies als Beschränkung der Erfindung aufzufassen sei, etwa 0,06 mm (entsprechend 0,0025 Zoll). Der Außendurchmesser des Rohres beträgt beispielsweise 0,71 mm (entsprechend 0,028 Zoll), und der Innendurchmesser beträgt etwa 0,43 mm (entsprechend 0,017 Zoll). Die Länge des Rohres beträgt ca. 4,6 mm (entsprechend 0,18 Zoll). Die Betriebsfrequenz ist für eine solche Düse so gewählt, daß sie unterhalb der ersten Fluidresonanzfrequenz liegt.

An dem Rohr ist ein Wandler 24 angebracht, und zwar vorzugsweise in einer an anderer Stelle näher beschriebenen Art (siehe US-Patentanmeldung, Serial No. 420 769 vom 3.11.73). Eine an einer Steuerspannungsquelle angeschlossene Leitung ist mit dem Wandler 24 verbunden. Die andere Leitung, die als Erdleitung oder Masseleitung 28 dient, ist mit der Düse verbunden. Ein Kunststoffgehäuse 30 verbindet normalerweise die

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Düse mit dem Tinten- bzw. Schreibflüssigkeitsvorratsbehälter. '

Die Größe der Standarddüse liegt im Bereich von 15 mm (entsprechend 0,591 Zoll) und 24,8 mm (entsprechend 0,975 Zoll). Diese Größen werden bei Frequenzen in der Größenordnung von 66 kHz benutzt.

Zusammenfassend sei bemerkt, daß einige Vorteile einer Miniaturdüse gemäß der Erfindung gegenüber der Standarddüse darin liegen, daß mit Rücksicht darauf, daß die mechanische Resonanzfrequenz der Miniaturdüse weit von der praktischen Betriebsfrequenz weg liegt, die gewöhnlich in der Größenordnung von 66 kHz liegt, die Ansprechempfindlichkeit bzw. das Ansprechverhälten der Düse relativ flach ist hinsichtlich Frequenzänderungen und hinsichtlich Fluid-(Schreibflüssigkeits)-Parameteränderungen. Ferner liegen die mechanischen Resonanzen der Düse weit oberhalb der praktischen Betriebsfrequenzen. Dies unterstützt ebenfalls die Flachheit des Frequenzganges der Düse. Unter Flachheit wird hier verstanden, daß die für eine bestimmte Tröpfchenablösezeit erforderliche Spannung nahezu konstant ist über einen ausnutzbaren Frequenzbereich.

Das Verhältnis der Durchmesser bei der erfindungsgemäßen Düse gegenüber dem Verhältnis der Durchmesser bei der derzeit benutzten Düse beträgt etwa 1:4, was zu einem Flächenverhältnis von 1 zu 17 führt.

Aufgrund der Miniaturisierung dea Düsenrohres sind die Fluidgeschwindigkeiten des durch dieses Rohr hindurchtretenden Fluids wesentlich erhöht und infolgedessen ist die Anlaufzeit erheblich verkürzt. Dies ergibt sich mit Rücksicht darauf, daß Luft oder Gas, das in dem ^ohr enthalten sein kann, schnell aus dem Rohr abgeführt wird. Die Beseitigung

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von Gasen während der Anlaufzeit bei der Standarddüse kann bis zu fünf Minuten in Anspruch nehmen. Schließlich brauchen die Tinten- bzw. Schreibflüssigkeitsparameter mit Rücksicht auf die Flachheit der Empfindlichkeitskurve nicht so streng eingehalten zu werden wie bisher.

Gemäß der Erfindung wird also bei einem Tintentröpfchen-Schreibsystem eine schwingende Düse verv/endet, um Tintentröpfchen zu bilden, die anschließend elektrostatisch abgelenkt werden, um Zeichen oder Wellenzüge auf Papier mit Hilfe der abgelenkten Tintentröpfchen zu schreiben. Um die Änderungen der erforderlichen Steuerspannung für den Wandler herabzusetzen, der die Düse in Schwingungen versetzt - welche Änderungen durch Änderungen in den Tintenparametern hervorgerufen werden, die Änderungen hinsichtlich der Schallgeschwindigkeit in der verwendeten Tinte oder Schreibflüssigkeit hervorrufen - und um Änderungen hinsichtlich der Tintentröpfchenablösezeit von dem Tintenstrahl mit den Steuerfrequenzänderungen zu minimieren, ist die Länge der Düse so gewählt, daß deren mechanische Resonanzfrequenz wesentlich höher ist als die Frequenz, bei der die Düse verwendet wird. Das Ergebnis ist, daß die Länge der Düse wesentlich kurzer ist als die der bisher verwendeten Düsen.

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Claims

Patentansprüche

/ 1 . Düse für ein Tlntentröpfchen-Schreibsystem, dadurch \^__^/gekennzeichnet, daß sie im Schwingungszustand einen Fluid-Gr uiidfre quenzbere ich besitzt, der oberhalb der bestimmten Betriebsfrequenz in dem Tintentröpfchen-Schreibsystem liegt.
2. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Länge weniger als 5,1 mm beträgt.
3. Düse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ihr Innendurchmesser in der Größenordnung von 0,43 mm liegt.
4. Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch solche Abmessungen, daß auf Änderungen in der Schallgeschwindigkeit der an die Düse abgegebenen Tinte hin minimale Steuerspannungsänderungen auftreten.
5. Düse nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch solche Abmessungen, daß für das Tintentröpfchen-Schreibsystem eine minimale Anlaufzeit erzielt ist.
6. Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine mechanische Resonanzfrequenz, die sehr viel höher ist im "Vergleich zur Betriebsfrequenz, und durch eine Fluid-Grundresonanzfrequenz, die höher ist als die Betriebsfrequenz.
7. Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ihre mechanische Resonanzfrequenz über 100 kHz liegt.

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8. Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ihr Innendurchmesser so gewählt ist, daß eine minimale Anlaufzeit für das Tintentröpfchen-Schreibsystem erzielt ist.
9. Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ihre mechanische Resonanzfrequenz zumindest 1,5 mal höher ist als die Betriebsfrequenz des Tintentröpfchen-Hchreibsystems und daß die Fluid-Grundresonanzfrequenz zumindest 1,06 mal höher ist als die Betriebsfrequenz des Schreibsyslems.
10. Verfahren zur Herstellung einer Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 9 für ein Tintentröpfchen-Schreibsystem, bei dem eine unter Druck stehende Schreibflüssigkeit von einem Vorratsbehälter an die Düse abgegeben wird und bei dem ein olektromechanischer Wandler die betreffende Düse derart in Schwingungen versetzt, daß auf die Schreibflüssigkeit Schwankungen mit einer bestimmten Frequenz ausgeübt werden, wenn diese durch die betreffende Düse hindurchströmt, wobei durch die Düse Energie auf die Schreibflüssigkeit über einen weiten Frequenzbereich unabhängig von Änderungen in der Schreibflüssigkeitszusammensetzung übertragbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Düse eine solche Länge gegeben wird, daß in ihrem Schwingungszustand ein Fluid-Grundresonanzfrequenzbereich vorhanden ist, der zumindest 70 kHz beträgt und der die bestimmte Betriebsfrequenz in dem Schreibsystem um einen nennenswerten Betrag überschreitet.
11. Verfahren zur Herstellung einer Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 9 für ein Tintentröpfchen-Schreibsystem, bei dem eine Schreibflüssigkeit unter Druck von einem

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Vorratsbehälter an die Düse abgegeben wird und bei dem ' ein elektromechaniseher Wandler· die I/üse mit einer bestimmten Frequenz in Schwingungen versetzt, derart, daß auf die Schreibflüssigkeit bei deren Durchströmen durch die Düse Schwankungen hervorgerufen werden, wobei die nicht verv/endete Schreibflüssigkeit zu dem Vorratsbehälter zurückgeleitet wird und wobei durch die Düse eine Energiekopplung auf die Schreibflüssigkeit über einen weiten-Frequenzbereich erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß der Düse eine solche Länge gegeben wird, daß eine Fluid-Grundresonanzfrequenz erzielt wird, die wesentlich höher ist als die Betriebsfrequenz des Systems, und daß eine mechanische Resonanzfrequenz erzielt wird, die zumindest 1,5 mal höher ist als die Betriebsfrequenz des Systems./■*■