DE2552952A1

DE2552952A1 - Vorrichtung zum steuern von satellitentroepfchen in einem tintenstrahldrucker

Info

Publication number: DE2552952A1
Application number: DE19752552952
Authority: DE
Inventors: Edward Frank Helinski; Mo Chong Lee; Jack Louis Zable
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1974-12-18
Filing date: 1975-11-26
Publication date: 1976-07-01
Also published as: SE7513552L; DE2552952B2; FR2294848A1; JPS51146122A; BR7508377A; IT1043634B; ES443561A1; CA1056439A; NL7514375A; SE413349B; US3928855A; JPS54367B2; DE2552952C3; GB1493646A; CH595994A5; FR2294848B1

Description

Aktenzeichen der Anmelderin: EN 974 030

Vorrichtung zum Steuern von Satellitentröpfchen in
einem Tintenstrahldrucker

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Steuern
von Satellitentröpfchen in einem Tintenstrahldrucker,

Bei der Aufzeichnung mit Hilfe eines Tintenstrahls ist es
allgemein bekannt, daß man zunächst unter Druck einen Tintenstrahl erzeugt und in diesen Strahl Störungen einführt, die
den Strahl in einzelne Tröpfchen zerteilen, die dann in genau gesteuerter Weise für eine sichtbare Darstellung von Information auf einen Aufzeichnungsträger abgelenkt werden. Diese
Störungen können beispielsweise durch elektromechanische Vorrichtungen hervorgerufen werden, die die den Strahl erzeugenden Elemente in Schwingungen oder Vibrationen versetzen oder
durch Anlegen äußerer Felder an den freifliegenden Strahl, wodurch in dem Tintenstrahl eine Knotenbildung erfolgt.

In der US-Patentschrift 3 596 275 vom 27. Juli 1971 ist sowohl ein magnetostriktiver Vibrator als auch eine Erregerelektrode

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zur Erzeugung von Tröpfchen aus einem aus leitender Tinte bestehenden Strahl offenbart. In der US-Patentschrift 3 298 030 vom 12. Juli 1965 wird zur Erzeugung von Störungen in einem Tintenstrahl ein piezoelektrischer Wandler benutzt. In der am 28. September 1973 eingereichten US-Patentanmeldung 429 414 werden in einem aus magnetischer Tinte bestehenden Strahl durch äußeres Anlegen magnetischer Felder an mehreren, mit gleichförmigen Abständen längs des Strahles angeordneten Punkten Tröpfchen erzeugt, wobei der Abstand der das Feld erzeugenden Elemente der Wellenlänge der in dem Strahl erzeugten Einschnürungen oder Knotenpunkte oder einem Vielfachen dieser Wellenlänge entspricht.

Bei den bisher bekannten Tröpfchen-Erzeugungssystemen hat insbesondere die Tatsache Schwierigkeiten bereitet₍ daß bein Zer-> teilen des Strahls in die einzelnen Tröpfchen die Gefahr besteht, daß sich Satellitentröpfchen bilden. Die exakte Erklärung dafür, warum sich Satellitentröpfchen bilden, ist nicht bekannt. Es wurde jedoch beobachtet, daß sich die Satellitentröpfchen gewöhnlich aus den dünnen Verbindungsabschnitten des Strahles bilden, die die verschiedenen, durch die Störungen verursachten Knoten miteinander verbinden. Man hat ferner festgestellt, daß solche Satellitentröpfchen entweder eine mit den benachbarten großen Tröpfchen gleiche oder auch eine davon verschiedene Geschwindigkeit haben können. Abhängig von den Geschwindigkeiten der Satellitentröpfchen und der großen Tröpfchen können diese Tröpfchen sich vereinigen, wenn ihre jeweiligen Geschwindigkeiten unterschiedlich sind. Die Geschwindigkeit, mit der eine solche Vereinigung stattfindet, kann jedoch die Steuerung der Tröpfchen, die Druckqualität oder die Verunreinigung des Tintenstrahldruckers beeinflussen.

In der US-Patentschrift 3 683 396 vom 8. August 1972 ist eine Anordnung zur Lösung dieses Problems beschrieben, wobei die Düse mit einem solchen Resonanzverhalten für die Flüssigkeit konstruiert ist, daß schnelle Satellitentröpfchen gebildet wer-

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den. Die Düse ist dabei so aufgebaut, daß ihre Innenabmessung in Längsrichtung entsprechend der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls in der Flüssigkeit innerhalb der Düse und der gewünschten Resonanzfrequenz bestimmt ist.

Die US-Patentschrift 3 334 351 vom 1. August 1967 zeigt ein Verfahren zur Vereinigung von Satellitentröpfchen durch vibrieren des Strahlsf so daß den Tintentröpfchen eine rollende Bewegung erteilt wird, indem man zwei Vibratoren verwendet, die einmal quer zum Strahl und einmal in Flugrichtung des Strahles angreifen·

In der am 21. Dezember 1972 eingereichten US-Patentanmeldung mit der Nummer 317 503 ist eine mechanische Konstruktion offenbart _f bei der zwei piezoelektrische Vorrichtungen in zwei verschiedenen Schwingungsarten wirken_r und dadurch die Bildung von Satellitentröpfchen verhindern, daß den Tröpfchen eine Spinbewegung erteilt wird.

Man stellt also fest, daß die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen für die Beseitigung oder Verschmelzung von Satellitentröpfchen besondere und komplizierte Konstruktionen erfordern. Außerdem sind solche Konstruktionen nicht vielseitig •insetzbar, da mechanische Vorrichtungen normalerweise für ganz bestimmte Betriebsbedingungen ausgelegt sind, von denen nur geringe Abweichungen möglich sind. Da aber der Zustand der Tinte und die Betriebseigenschaften eines Tintendruckers unterschiedlich sein können, kann sich damit auch der Wirkungsgrad beim Verhindern oder Verschmelzen von Satellitentröpfchen beträchtlich verschlechtern und Einrichtungen zur überwachung von Veränderungen in den Betriebsbedingungen werden nicht nur kooplixiert, sondern auch teuer«

Aufgabe der Erfindung ist es also, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Erzeugung eines aus aufeinanderfolgenden Tintentröpfchen bestehenden Tintenstrahls

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zu schaffen, wobei insbesondere die Bildung von Satellitentröpfchen in einem Tintenstrahl praktisch unterdrückt werden soll. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß man den Tintenstrahl in der Weise beeinflußt, daß eine asymmetrische Momentenverteilung oder unterschiedliche Geschwindigkeiten in dem Strahl erzeugt werden. Ganz allgemein werden eine asyirmetrische Momentenverteilung oder unterschiedliche Geschwindigkeiten in dem Tintenstrahl dadurch erzeugt, daß man periodisch an den Flüssigkeitsstrom eine im Raum und/oder in der Zeit asymmetrisch Kraft anlegt. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Wandler zur Erzeugung von Störungen in einem Strahlstrom mit einem Signal erregt, das eine asymmetrische Wellenform aufweist. Ein bevorzugtes, zur Erregung verwendetes Signal, enthält höhere ganzzahlige Harmonische, in Kombination mit der Grundfrequenz, die der gewünschten Tröpfchenfrequenz entspricht. Eine besonders gute Kontrolle über die Bildung von Satellitentröpfchen erhält man_f wenn man zur Erregung eine Signalewellenform verwendet, die die zweite oder die zweite und dritte Harmonische, in Phase oder phasenverschoben gegen die Grundfrequenz in solcher Weise enthält, daß die Anstiegs- und Abfallzeiten des zur Erregung verwendeten Signals verschieden sind.

Der Wandler kann entweder ein elektromechanischer Wandler, wie z.B. ein piezoelektrischer Kristall, der an der Flüssigkeitskammer befestigt ist, oder eine Feldelektrode sein, die in der Nachbarschaft eines durch ein Feld steuerbaren Tintenstrahls vor dem Abreißpunkt der Tröpfchen angeordnet ist. In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird ein durch ein Feld steuerbarer Tintenstrahl aus einer magnetischen Tinte, wie z.B. einer Ferroflüssigkeit, gebildet. Der magnetische Tintenstrahl wird dabei einem asymmetrischen Feld in der Weise ausgesetzt, daß ein elektromagnetischer Wandler, der in der Nachbarschaft des Tintenstrahls angeordnet ist, mit einem Signal erregt wird, das eine asymmetrische Wellenform aufweist, wie dies bereits beschrieben wurde. Der zur ma-

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gnetischen Erregung benutzte Wandler kann einstufig oder mehrstufig sein. Im letzteren Fall können die einzelnen Stufen unterschiedliche Abstände in bezug auf die Wellenlänge der in dem Strahl sich bildenden Knoten, d.h. der Tröpfchenwellenlänge, aufweisen. Assymetrische Felder können auch dadurch erzielt werden, daß der Wandler einen ungleichförmigen Spalt aufweist, durch den der Strahl hindurchfliegt, wobei in diesem Fall das zur Erregung benutzte Signal entweder eine symmetrische oder eine asymmetrische Wellenform, abhängig von der gewünschten Art der Steuerung der Satellitentröpfchen, aufweisen kann.

Man erkennt also, daß sich durch die Erfindung eine vielseitige Verwendbarkeit ergibt. Der Betrieb läßt sich über einen weiteren Bereich der Betriebsbedingungen durchführen_f wodurch die Aufzeichnung mit Hilfe eines Tintenstrahles wesentlich erleichtert wird. Unter Verwendung der Erfindung können die Tintentröpfchen frei von Satellitentröpfchen erzeugt werden und wenn sich unter bestimmten Bedingungen Satellitentröpfchen bilden, können diese innerhalb einer Wellenlänge eines einzigen Tröpfchens verschmolzen werden.

Die Erfindung wird nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Die unter Schutz zu stellenden Merkmale der Erfindung sind den ebenfalls beigefügten Patentansprüchen im einzelnen zu entnehmen.

In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 schematisch eine isometrische Ansicht eines

Tintenstrahlschreibers mit einem Tröpfchengenerator, der gemäß der Erfindung aufgebaut ist und arbeitet,

Fign. 2-5 die Kraft- und Momentenverteilung für verschiedene Wellenformen der zur Erregung be-

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nutzten Wellen zur Erläuterung des Prinzips der erfindungsgeiuäß ausgenutzten Asymmetrie,

Fign. 6-13 verschiedene Wellenformen zur Erzeugung von

satellitenfreien Tröpfchen und für eine Verschmelzung von Satellitentröpfchen mit den Haupttröpfchen in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung und

Fig. 14 ein Blockschaltbild eines Tröpfchenfrequenz-

generators zur Erzeugung der verschiedenen hier dargestellten Wellenformen,

In Fig. 1 ist ein Tintenvorratsbehälter 10 gezeigt, der eine magnetische Tinte enthält. Die hier verwendbare magnetische Tinte ist vorzugsweise isotrop und praktisch remanenzfrei. Eine dafür geeignete magnetische Tinte ist eine Ferroflüssigkeit der in der US-Patentanmeldung Nr, 284 822 der Anmelderin vom 30. August 1972 beschriebenen Art. Ein weiteres Beispiel für eine magnetische Tinte ist eine stabile colloidale Suspension von Magnetitteilchen (FE_0.) mit einer Teilchengröße von etwa 100 S in Wasser, wobei die einzelnen Teilchen von einem Benetzungsmittel umgeben sind.

Von dem Vorratsbehälter 10 wird die magnetische Tinte einer

2 Düse 11 unter einem Druck von beispielsweise 0,14 Kilopond/cm

bis 0,35 Kilopond/cm² zugeführt und tritt als Tintenstrahl 12 durch eine Bohrung am Ende der Düse 11 aus. Eine Steuervorrichtung ist mit der Bahn des von der Düse 11 ausgehenden Strahls 12 axial ausgerichtet. Diese Steuervorrichtung besteht aus einem C-förmigen Magnetkern 15 mit einem oberen Polschuh 16 und einem unteren Polschuh 17, die, in senkrechter Richtung miteinander ausgerichtet, sich oberhalb bzw, unterhalb des Tintenstrahls 12 befinden. Auf dem C-förmigen Magnetkern 15 befindet sich eine Wicklung 18, die eine maximale Flußkonzentration in den beiden Polschuhen erzeugt. Die Wicklung 18

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ist an einem Tröpfchenfrequenzgenerator 19 angeschlossen, der ein periodisches Signal erzeugt, das wiederum ein Magnetfeld erzeugt, dessen asymmetrisch verlaufende magnetische Kraftlinien in dem Tintenstrom 12 Störungen einführen. Die Breite der Polschuhe 16 und 17 in Strahlrichtung ist kleiner als der Abstand zwischen den einzelnen Tröpfchen 22, die durch die Steuervorrichtung 14 aus dem Strahl 12 abgelöst werden und beträgt vorzugsweise 1/2 Wellenlänge bis zu plus oder minus 60 % der Störungen, die durch die Steuervorrichtung 14 in dem Strahlstrom 12 erzeugt werden. Man erkennt dabei sofort, daß diese Grundabmessung auf jede ganzzahlige Anzahl von Wellenlängen vergrößert werden kann, ohne daß sich dabei eine merkliche Verschlechterung der Betriebsweise ergibt.

In Fig. 1 ist zwar nur eine einstufige Steuervorrichtung gezeigt, jedoch kann gemäß der Erfindung auch eine zweistufige oder mehrstufige Steuervorrichtung benutzt werden und man würde j dabei unterschiedlich große Abstände verwenden, um phasenverschobene, mehrfache Störfeldlinien mit asymmetrischer Verteilung zu erzeugen.

Der Luftspalt zwischen den Polschuhen 16 und 17 soll nicht zu groß sein, da sonst das durch die stromdurchflossene Spule 18 erzeugte magnetische Feld auf den Strahl 12 nicht in der gewünschten Weise zur Erzeugung der Störungen innerhalb des Stromes 12 einwirken würde. Das ist darauf zurückzuführen, daß die Dichte der magnetischen Feldlinien bei zunehmendem Abstand zwischen den einander gegenüberliegenden Polschuhen abnehmen würde. Außerdem nimmt in gleicher Weise die Intensität des Magnetfeldes mit zunehmendem Abstand der Polschuhe voneinander ebenfalls ab. Somit sollte der Abstand zwischen den Polschuhen eines jeden Polpaares etwa 2 1/2 bis 4mal so groß sein wie der Strahldurchmesser. Durch die Erregung der auf dem Magnetkern aufgebrachten Wicklung 18 über den Signalgenerator 19 werden Störungen in dem Strahl 12 erzeugt, so daß sich eine Folge von gleichförmige Abstände aufweisenden Tröpfchen 20 von im

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wesentlichen gleicher Größe sich von dem Strahl ablöst. Der nunmehr aus Tintentröpfchen 20 bestehende Strahl durchläuft anschließend einen magnetischen Selektor 21 mit einer Wicklung 22, die selektiv durch einen Datensignalgenerator entsprechend den eingangsseitig zugeführten Daten impulsmäßig angesteuert wird und demgemäß vorbestimmte Tröpfchen aus ihrer ursprünglichen Bahn ablenkt, wo sie schließlich in einem Ablauf 24 landen, der vor dem Aufzeichnungsträger 25 angeordnet ist. Die durch den Selektor 21 abgelenkten Tröpfchen und die nicht dadurch abgelenkten Tröpfchen 20 bewegen sich als ein Tintenstrahl durch einen Spalt im Ablenkmagneten 26, der vor dem Ablauf 24 und dem Aufzeichnungsträger 25 angeordnet ist. Ein vom Rasterabtastsignal-Generator 28 kommendes sägezahnförmiges Signal wird einer Wicklung 29 des Ablenkmagneten 26 zugeführt und bewirkt, daß die ausgewählten und die nichtausgewählten Tröpfchen 20 in senkrechter Richtung abgelenkt werden.

Ausgewählte, d.h. nicht benötigte Tröpfchen werden durch den Ablauf 24 aufgefangen, während nicht ausgewählte, d.h. zum Drucken verwendete Tröpfchen an der rechten, messerartigen Kante 30 des Ablaufs 24 vorbeifliegen und entsprechend dem Rasterabtastsignal und der zeitlichen Dauer, die die einzelnen Tröpfchen in dem durch den Ablenkmagneten 26 hervorgerufenen Magnetfeld zugebracht haben, auf dem Aufzeichnungsträger 25. Zwischen dem Aufzeichnungsmedium oder Aufzeichnungsträger 25 und dem Tintenstrahl wird eine in seitliche Richtung ablaufende Relativbewegung vorgesehen, so daß die Information in Form einer Punktmatrix als Zeichen oder andere Symbole aufgezeichnet wird.

Wie bereits erläutert, befaßt sich die Erfindung mit einer Vorrichtung zur Erzeugung von Tröpfchen aus einem Flüssigkeitsstrom, der durch asymmetrisch wirkende Kräfte gestört wird. Die Fign. 2A, B und C dienen der Erläuterung dieses Phänomens, Gemäß Fig. 2A wird eine vollkommen symmetrische oder anti-

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symmetrische Wellenform, wie die Rechteckwelle 32 durch den Tröpfchenfrequenzgenerator 19 der Fig. 1 erzeugt und an die Steuervorrichtung 14 abgegeben. Die räumliche Verteilung der magnetischen Kraftlinien (die angenähert eine lineare Funktion der Stromstärke darstellt) durch eine zweistufige magnetische Steuervorrichtung mit beispielsweise gleich großen Luftspalten ■ und einem Abstand zwischen den Mittelpunkten 33 und 34 gleich ! einer Wellenlänge, ist in Fig. 2A gezeigt. Die Kurve 37 der räumlichen Verteilung der Kraftlinien ist zum Punkt 31 antisymmetrisch oder spiegelbildlich. Diese räumliche Verteilung der Kraftlinien, die sich aus der Rechteckimpulsform 32 ergibt, ergibt eine Geschwindigkeitsänderung des sich bewegenden Tintenstrahls, welche in Fig. 2C durch die Kurve 38 dargestellt ist und bezüglich der Punkte, an denen die Tröpfchen gebildet werden, vollkommen antisymmetrisch ist. Daraus ergeben sich Satellitentröpfchen 39 und Haupttröpfchen 40, die vollkommen stabil sind, da das integrierte Moment für die Tröpfchen gleich null ist.

Fign. 3A bis 3C zeigen den Fall der Asymmetrie. In Fig. 3A ist eine verzerrte Wellenform 41 dargestellt, die einer zweistufigen Steuervorrichtung mit den Polschuhen 35 und 36 zugeführt wird, deren Luftspalte beide gleich groß sind und die längs der Bahn des Tintenstrahls einen Abstand aufweisen, der der Wellenlänge der zu bildenden Tröpfchen entspricht. In diesem Fall ist die räumliche Verteilung der magnetischen Kraftlinien zum Punkt 31 immer noch antisymmetrisch. Jedoch ist die resultierende Momentenverteilung, wie man dies aus der übertriebenen Darstellung der Kurve 43 in Fig. 3C erkennt, wegen der zeitabhängigen asymmetrischen Schwankung der Kraftamplitude entsprechend der zur Ansteuerung benutzten Wellenform 41 verschoben, während der Tintenstrahl die Steuervorrichtung durchläuft. In diesem Fall bilden sich die Haupttröpfchen 40 in einer stabilen Position, während die Satellitentropfchen 39 unstabil sind und in Richtung auf die Haupttröpfchen beschleunigt werden.

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Wie man aus den Fign. 4A bis 4C erkennt, läßt sich eine schräge räumliche Verteilung der magnetischen Kräfte dadurch erzielen, daß man für die Steuervorrichtung ungleichförmig große Luftspalte vorsieht. In diesem Fall wird eine symmetrische Rechteckwelle 32 (Fig, 4A) zur Erregung der zweistufigen Steuervorrichtung benutzt. Die Polschuhe 44 und 45 weisen Luftspalte 46 und 47 auf, die sich in Richtung der Düse verengen. Die räumliche Verteilung der magnetischen Kräfte, die durch die Kurve 48 in Fig. 4B dargestellt ist, ist nicht mehr antisymmetrisch, sondern ist nunmehr asymmetrisch. Als Ergebi nis erhält man eine asymmetrische Momentenverteilung, bei der die Satellitentröpfchen 39 instabil sind und sich in Rich-I tung auf die Haupttröpfchen beschleunigen, wie man dies aus i der Geschwindigkeitskurve 49 in Fig. 4C erkennt. Im Fall der Figuren 4A bis 4C wird die Asymmetrie ausschließlich durch ι den Aufbau nichtgleichförmiger Luftspalte erzielt, während der j für die Erregung der Steuervorrichtung verwendete Strom symmetrisch bleibt. j

ι In den Fign. 5A bis 5C sind die zusammengefaßten Wirkungen i einer Erregung mit einer verzerrten Wellenform (Kurve 41 in Fig. 5A) und ungleichförmiger Luftspalte (46 und 47 in Fign. 5B) ! für die Polschuhe 44, 45 (in Fig. 5B) der zweistufigen Steuervorrichtung gezeigt. Wie aus Kurve 50 in Fig. 5B zu erkennen, ; ist die räumliche Verteilung der magnetischen Kräfte nunmehr asymmetrisch. Außerdem ergibt sich eine Änderung der Amplitude ; der magnetischen Kräfte, während der Strom die Steuervorrichtung durchläuft, so daß sich eine Verschiebung der Momenten- | verteilung ergibt, wie dies aus Kurve 51 in Fig. 5C zu erkennen ist, so daß die Satellitentröpfchen 39 wiederum instabil werden und sich in Richtung auf die Haupttröpfchen 40 be- ! schleunigen.

Obgleich bestimmte konstruktive Formen in Beziehung auf eine zweistufige magnetische Steuervorrichtung gezeigt wurden, so ist es doch klar, daß die gleiche konstruktive Ausgestaltung

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auch für eine einstufige magnetische Steuervorrichtung oder
für andere Arten von mehrstufigen magnetischen Steuervorrichtungen brauchbar sind. Außerdem lassen sich einstufige oder
mehrstufige Steuervorrichtungen so abwandeln, daß sie andere
Formen aufweisen oder durch andere Impulsformen angesteuert
werden und damit asymmetrische Störfeldkräfte erzeugen, die J ein schnelles Zusammenfließen der Satellitentröpfchen oder die j

Bildung satellitenfreier Tröpfchen bewirken. j

Beispielsweise können die zweistufige Steuervorrichtung gemäß ' Fign. 2 bis 5, wie auch andere, mehrstufige Steuervorrichtungen, | aufeinanderfolgende unterschiedliche, nicht gleichförmige j

j Luftspalte aufweisen und damit eine Verschiebung der magneti- j sehen Kraftlinien und der magnetischen Momente bewirken. j

Verschiedene asymmetrische Wellenformen lassen sich zur Erzeu- ;

gung von Tröpfchen, die frei von Satellitentröpfchen sind oder j

für ein schnelles Zusammenfließen von Satellitentröpfchen mit ·

Haupttröpfchen benutzen. Ein etwa sägezahnförmiger Stromverlauf '

55 mit einer Spitzenamplitude von 0,5 Ampere und einer Frequenz j von 30,8 kHz wurde z.B. einer einstufigen Steuerstufe 14 mit einem

gleichförmigen Luftspalt von 0,152 mm zugeführt. Die Breite J

der Polschuhe betrug 0,108 mm. Eine magnetische Flüssigkeit \

2 ■

, wurde unter einem Druck von 2,52 kp/cm einer Düse mit einem '■ Durchmesser von 0,0635 mm zugeführt und ergab einen Tröpfchen- j ; abstand von 0,445 mm. Der Pfeil 56 (Fign. 6, 7) gibt die Strö- ; mungsrichtung des Tintenstrahls an. Wie man erkennt, hat sich : das Tröpfchen 57 von dem Verbindungsabschnitt 58 eines konti-
; nuierliehen Tintenstrahls 12 abgelöst und weist selbst noch
einen Verbindungsabschnitt 59 auf. Innhalb des Abstandes einer
Tröpfchenwellenlänge ist dieser Verbindungsabschnitt im wesentlichen verschwunden und ist in das Haupttröpfchen übergegangen.

Wie man aus Fig. 7 erkennt, bildet sich vor dem Tröpfchen 61

ein Satellitentröpfchen 60, das sich anschließend innerhalb

der Wellenlänge eines einzigen Tröpfchens mit dem Haupttröpfchen

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vereinigt. Die Steuervorrichtung war in Fig. 7 die gleiche wie in Fig. 6, nur daß die Amplitude des zur Ansteuerung benutzten I Stromes bei etwa 0,25 Ampere lag. Man sieht also, daß bei j einem tatsächlich ausgeführten Tintenstrahldrucker bei Strom- !Schwankungen oder vorübergehender Änderung in der Stromversorgung der Steuervorrichtung, wenn eine etwas kleinere Leistung zugeführt wird, sich die Druckqualität eines Tintenstrahl-Idruckers nicht wesentlich verschlechtert, da sich zwar Satellitentröpfchen bilden, die sich jedoch bereits nach einer sehr kurzen Flugzeit mit den Haupttröpfchen vereinigen, so daß das dynamische Verhalten der Tröpfchen im wesentlichen das gleiche ist und die dabei auftretenden Satellitentröpfchen die Druckqualität nicht beeinflussen.

Die in Fig. 8 gezeigte Wellenform 63 steigt schnell an und fällt langsam ab und weist eine Ampltiude von 0,5 Ampere auf. ! Mit dieser Wellenform wurde die einstufige Steuervorrichtung der Fign. 6 und 7 unter im wesentlichen den gleichen Betriebsbedingungen benutzt. Wie man aus Fig. 8 erkennt, löst sich der Verbindungsabschnitt 64 nicht für sich ab_f sondern bleibt ¹ am hinteren Ende nach dem Abreißen des Tröpfchens 65 an diesem hängen, verschwindet aber fast vollständig innerhalb einer Tröpfchenwellenlänge·

In Fig. 9 wird eine Wellenfom 66 mit steiler Vorderflanke und langsam abfallender Hinterflanke und einer Amplitude von 0,4 Ampere benutzt. Im übrigen sind die Bedingungen die gleichen wie in Fig. 8. Auch bei dieser Ausführungsform findet keine Bildung von Satellitentröpfchen statt. Man sieht jedoch, daß der Verbindungsabschnitt 64 mit dem Tröpfchen 65 weniger fest zusammenhängt und daß bei geringeren Stromstärken wahrscheinlich Satellitentröpfchen gebildet würden. Durch die asymmetrische Kraftverteilung, die durch die Asymmetrie der Wellenform 66 hervorgerufen wird, läßt sich jedoch ein rasches Verschmelzen der Tröpfchen innerhalb einer Wellenlänge der Tröpfchen erwarten.

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Man kann ferner aus den bisher gegebenen Beispielen entnehmen, daß durch eine Veränderung der Wellenform von flacher Anstiegsflanke zu steiler Anstiegsflanke die Richtung des Zusammenfließens des anhängenden Verbindungsabschnittes oder der Satellitentröpfchen geändert wird.

In Fign. 10 und 11 werden die gleichen Wellenformen 55 und 62 verwendet wie in den Fign. 6 und 7 und werden mit einer Frequenz ; von 32,2 kHz einer zweistufigen Steuervorrichtung zugeführt. ι Die Breite der Polschuhe betrug 0,02286 mm und Luftspalt war 0,015 mm und der Abstand zwischen den Polschuhen betrug ^! 0,0381 mm. Die magnetische Tinte wurde unter einem Druck von ! 2

2,25 kp/cm nach einer Düse mit einem Durchmesser von 0,00635 mm

j zugeführt und dies ergab einen Abstand der Tröpfchen voneinander von 0,038 mm.

Wie man in Fig. 10 erkennt, bleibt der Verbindungsabschnitt 64 am rückwärtigen Ende des Tröpfchens 65 hängen, so daß sich keine Satellitentröpfchen bilden. In Fig. 11 bricht der Verbindungsabschnitt am hinteren Ende des Tröpfchens ab und bildet ein Satellitentröpfchen 68, das sich innerhalb dreier Tröpfchenwellenlängen mit den Tröpfchen 69 vereinigt. Man erkennt aus Fign. 10 und 11, daß entweder eine Erhöhung des Stromes von 0,2 Ampere oder die Wellenform 62 den Verschmelzungsabstand verringern oder die Bildung von Satellitentröpfchen beseitigen würde.

In den Fign. 12 und 13 wurden praktisch die gleichen raschansteigenden und langsam abfallenden Wellenformen 63 und 66 der Fign. 8 und 9 mit einer zweistufigen Steuervorrichtung der Fign. 10 und 11 benutzt und praktisch unter den gleichen Bedingungen betrieben. Wie aus Fig. 12 zu ersehen, bildet sich beim Abreißen von dem Strahl 12 jeweils vor den eigentlichen Tröpfchen 71 ein Verbindungsabschnitt 70. In Fig. 13 entsteht aus dem Verbindungsabschnitt 70 ein Satellitentröpfchen 72, das sich innerhalb dreier Wellenlängen der Tröpfchen mit dem Tröpfchen 73 vereinigt.

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j Ändert man, wie zuvor mit einer einstufigen Steuervorrichtung, die Wellenform von langsamem Anstieg zu schnellem Anstieg, so

j erhält man eine Änderung in der Richtung, in der sich ein Verbindungsabschnitt für ein Verschmelzen mit Satellitentröpfchen bildet.

Verschiedene andere^ asymmetrische Wellenformen lassen sich benutzen, um von Satellitentröpfchen freie Tröpfchenbildung oder i ein schnelles Zusammenfließen zwischen Satellitentröpfchen und ' Haupttröpfchen zu erzielen. Aus den bisher gegebenen Beispielen I läßt sich erkennen, daß eine bevorzugte asymmetrische Wellen- \ form etwa sägezahnförmig verläuft und einen im wesentlichen

■ linearen Anstieg aufweist. Eine solche Wellenform besteht

■ prinzipiell aus einer Grundwelle und höheren Harmonischen, Die Wellenform 55 hat dabei ganz spezifisch einen Gehalt an Harmonischen, wobei angenähert das Verhältnis der zweiten Harmonischen zur Grundwelle a2/a1 =0,5 und das Verhältnis der dritten Harmonischen zur Grundwelle a3/a1 = 0,33 ist, so daß die Gleichung dieser idealisierten, sägezahnförmigen Wellenform : durch folgende Gleichung ausgedrückt wird:

^f(t) =^a0⁺ Σ ^an^si*—
n=l

Im Fall der Wellenform 66 (Fig. 9) ist das angenäherte Verhältnis a2/a1 = 0,24 und das Verhältnis a3/a1 = 0,11. Höhere Harmonische als die dritte Harmonische können in den dargestellten sägezahnförmigen Wellenzügen ebenfalls enthalten sein. Ihr Einfluß auf die Asymmetrie wird im allgemeinen für vernachlässigbar gehalten. Andere Kombinationen aus Grundwelle und Harmonischen können ebenfalls benutzt werden. Die besten Ergebnisse werden jedoch erzielt, wenn eine zusammengesetzte asymmetrische Wellenform benutzt wird, deren Anstiegszeit von der Abfallzeit wesentlich verschieden ist. Wenn man diese Unterschiede genau steuert und die Steuervorrichtung entsprechend aufbaut, dann kann man die Richtung des Abreißens der Bindungen

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zwischen den einzelnen Knoten und das Zusammenfließen von Satellitentröpfchen mit Haupttröpfchen genau steuern.

j Zur Erzeugung der hier für die Erfindung verwendeten Wellenformen lassen sich verschiedene Schaltungen einsetzen. Eine derartige Schaltung zeigt Fig. 14. Ein von einem Impulsgenerator

j 80 abgegebenes periodisches Signal durchläuft eine Impulsbreitensteuerung 81 und betätigt einen Schalter 82, der die Aufladung und Entladung eines Kondensators 83 steuert. Die Frequenz des vom Impulsgenerators 80 kommenden Signals entspricht der

j Frequenz der gewünschten Störung und der Tröpfchenfrequenz im i
Strahl 12. Die Impulsbreite wird durch die Impulsbreitensteuerung 81 bestimmt und steuert damit das Tastverhältnis der Spule oder Wicklung 18, Positive und negative Stromquellen 84 bzw. 85, die die Ströme I_Q bzw. I- liefern, lassen sich durch Regelwiderstände 86 bzw. 87 in der Weise einstellen, daß der Strom I niemals größer ist als der Strom I₁. Die Dioden 88 und 89 halten die Eingangsspannung V_EIN zwischen vorbestimmten oberen und unteren Grenzwerten. Ist der Schalter 82 geschlossen, dann bestimmt die Stromdifferenz (I₁ - 1_Q) die Aufladegeschwindigkeit des Kondensators 83 und steuert damit die Steigung der ansteigenden Spannung (d.h. die Anstiegszeit) des Signals 90, während bei geöffnetem Schalter 82 der Strom I die Entladegeschwindigkeit des Kondensators 83 steuert und damit die Steigung der fallenden Spannung (d.h. die Abfallzeit) des Eingangssignals 90. Ein Verstärker 91 wandelt die Spannung im Signal 90 in einen Ausgangsstrom 92 der gleichen Form wie das Signal 90 um. Die Wicklung 18 der Steuervorrichtung 14 ist an einer Spannungsversorgung E_Q angeschlossen, die so eingestellt ist, daß sie das maximale induktive Potential der Steuervorrichtung 14 überschreitet. Die Amplitude des sägezahnförmigen Stroms 92 läßt sich dadurch ändern, daß man die Verstärkung des Verstärkers 91 oder die Amplitude der Eingangsspannung V_EIN regelt. Die Anstiegs- und Abfallzeit des Signals 90 und des Signals 92 wird durch die Schaltzeiten des Schalters 82 gesteuert, und zwar über die Regelung durch die Impulsbreitensteuerung 81.

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! Man sieht daher, daß durch die Erfindung ein verbessertes Verfahren und eine neue Vorrichtung geschaffen wurde zum Erzeugen von Tröpfchen aus einem Flüssigkeitsstrom, wodurch sich die
einzelnen Tröpfchen entweder frei von Satellitentröpfchen erzeugen lassen oder aber Satellitentröpfchen, falls sie entstehen, sehr schnell mit den Haupttröpfchen verschmolzen werden können. Dabei wird ein weiter Bereich für den Betrieb
solcher Vorrichtungen angegeben, unter welchen Betriebsbedingungen tatsächlich aufgebaute Tintenstrahldrucker arbeiten
können. Durch eine Tröpfchenbildung ohne Satellitentröpfchen
oder ein rasches Verschmelzen der Satellitentröpfchen mit den Haupttröpfchen läßt sich das dynamische Verhalten der Tröpfchen und die Steuerung der Tröpfchen für die Ablenkung ihrer Flugbahn zur Erzeugung von Zeichen wesentlich verbessern und vereinfachen, wodurch auch die Druckqualität eines Tintenstrahldruckers wesentlich verbessert wird.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Vorrichtung zum Bilden von Tröpfchen in einem Tintenstrahldrucker mit einer Zufuhr von ablenkbarer Tinte unter Druck an eine Düse oder dergleichen, aus der ein kontinuierlicher Strahl Tinte austritt und von dieser Düse nach einem Wandler von Erzeugung periodischer Störungen in dem Strahl fließt,

dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (15) der Steuerung dienende Mittel (80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88 und 89? 44, 45) aufweist, durch die in der Nachbarschaft eines Abschnittes des Strahls (12) für die Steuerung der Bildung von Satellitentröpfchen durch periodisch auftretende Störungen ein asymmetrisch wirkendes Ablenkfeld mit einer vorbestimmten Frequenz anlegbar ist.
2. Vorrichtung unter Verwendung einer ferromagnetisehen Tinte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (14) einen Magnetkern (15) aufweist, der mindestens in der Nähe eines Abschnittes des Strahles (12) angeordnet ist und daß dabei der Magnetkern derart geformt ist, daß er in diesem Abschnitt des Strahls (12) ein asymmetrisches Kraftfeld erzeugt, und daß zur periodischen Erregung dieses Magnetkerns mit vorbestimm ter Frequenz in zeitlicher Beziehung zu dem Vorbeilaufen des Strahls (12) an dem Magnetkern (16) ein Impulsgenerator (19) angeschlossen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Nachbarschaft des Abschnittes des Strahls (12) liegenden Polschuhe (44, 45) des Magnetkerns (15) einen ungleichmäßig breiten Spalt längs des Abschnittes des Strahls bilden.

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4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich der zwischen den Polschuhen (44, 45) befindliche Spalt (46, 47) in Flugrichtung des Strahls (12) verengt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Wandler (14) einen Magnetkern (15) enthält, der in unmittelbarer Nachbarschaft zu einem Abschnitt es Strahls (12) angeordnet ist und in diesem ein magnetisches Feld erzeugt und daß ein Signalgenerator (Fig. 14) vorgesehen ist, durch den zur periodischen Erregung des Magnetkernes (14) mit einer vorbestimmten Frequenz ein Signal mit einer asymmetrischen Form anlegbar ist,
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das der Erregung des Wandlers dienende Signal zur Erzeugung einer asymmetrischen Wellenform mehrere höhere Harmonische enthält,
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die zweite Harmonische enthalten ist. ^!
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die höheren Harmonischen gegenüber der Grundfrequenz des Signals in der Phase verschoben sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal eine in bezug auf die Abfallzeit lange Anstiegszeit aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal in bezug auf die Abfallzeit eine kurze Anstiegszeit aufweist.
11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Amplitude der

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zweiten Harmonischen zur Amplitude der Grundwelle mindestens gleich 0,5 ist.

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