DE2552952C3

DE2552952C3 - Vorrichtung zum Erzeugen von Tröpfchen in einem Tintenstrahldrucker

Info

Publication number: DE2552952C3
Application number: DE2552952A
Authority: DE
Inventors: Edward Frank Johnson City Helinski; Mo Chong Endicott Lee; Jack Louis Vestal 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: 1979-03-15
Also published as: GB1493646A; ES443561A1; CH595994A5; BR7508377A; DE2552952B2; DE2552952A1; IT1043634B; NL7514375A; SE7513552L; US3928855A; JPS51146122A; JPS54367B2; SE413349B; FR2294848B1; FR2294848A1; CA1056439A

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen von Tröpfchen in einem Tintenstrahldrucker mit einem eine unter Druck stehende, ablenkbare Tinte enthaltenden Vorratsbehälter und einer damit über eine v> Leitung verbundenen Düse zur Abgabe eines kontinuierlichen Tintenstrahls und mit einer Steuervorrichtung zum Erzeugen periodischer Störungen im Tintenstrahl vor seinem Zerfall in einzelne Tröpfchen durch ein auf den Tintenstrahl einwirkendes periodisches Kraftfeld in w der Nachbarschaft des Strahls.

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 v> zerteilen, die dann in genau gesteuerter Weise für eine sichtbare Darstellung von Information auf einen Aufzeichnungsträger abgelenkt werden. Diese Störungen können beispielsweise durch elektromechanischc Vorrichtungen hervorgerufen werden, die die den Strahl ho erzeugenden Elemente in Schwingungen oder Vibrationen versetzten oder durch Anlegen äußerer Felder an den freiliegenden Strahl, wodurch in dem Tintenstrahl eine Knotenbildung erfolgt.

In der US-Patentschrift 35 96 275 vom 27. Juli 1971 ist μ sowohl ein magnetostriktiver Vibrator als auch eine Erregerclektrode zur Erzeugung von Tröpfchen aus einem aus leitender Tinte bestehenden Strahl offenbart.

In der US-Patentschrift 32 98 030 vom 12. Juli 1965 wird zur Erzeugung von Störungen in einem Tintenstrahl ein piezoelektrischer Wandler benutzt.

Aus der DE-AS 12 74 622 ist es bekannt, zur Erzeugung möglichst kleiner gleichmäßiger Tröpfchen kurz hinter der Düse über eine Elektrode ein pulsierendes elektrisches Kraftfeld anzulegen. Ferner ist dort zum gleichen Zweck eine vom Tintenstrahl durchströmte, ein pulsierendes Kraftfeld erzeugende ringföcmige Elektrode offenbart. Ferner ist es aus der US-Patentschrift 32 87 734 bekannt, aus magnetischer Tinte bestehende Tröpfchen zwischen den Polschuhen eines Elektromagneten in der Weise zu magnetisieren, daß Polarität und Stärke der so erzeugten kleinen Magnetchen durch die von einer Signalquelle bestimmte Größe und Polarität des erregenden Stromes bestimmt werden. Die so magnetisierten Tröpfchen werden dann durch ein starkes, aber ungleichförmiges Gleichfeld in einer Richtung senkrecht zur Bewegungsrichtung des Aufzeichnungsträgers abgelenkt

Bei den bisher bekannten Tröpfchen-Erzeugungssystemen hat insbesondere die Tatsache Schwierigkeiten bereitet, daß beim Zerteilen des Strahls in die einzelnen Tröpfchen die Gefahr besteht, daß sich Satellitentröpfchen bilden. Die exakte Erklärung dafür, warum sich Satelliientröpfchen bilden, ist nicht bekannt. Es wurde jedoch beobachtet, daß sich die Satelliientröpfchen gewöhnlich aus den dünnen Verbindungsabschnitten des Strahls 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 groß 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 36 83 396 "om 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 werden. 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 33 34 351 vom I.August 1967 zeigt ein Verfahren zur Vereinigung von Satellitentröpfchen durch Vibrieren des Strahls, so daß den Tintentröpfchen eine rollende Bewegung erteilt wird, indem man zwei Vibratoren verwendet, die einmal quer zum Strahl und einmal in Flugrichtung des Strahls angreifen.

In der DE-OS 23 63 524 ist eine mechanische Konstruktion offenbart, bei der zwei piezoelektrische Vorrichtungen in zwei verschiedenen Schwingungsarten wirken, 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 einsetzbar, 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 Tintenstrahldruckers 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 kompliziert, sondern auch teuer.

Aufgabe der Erfindung ist es also, eine Vorrichtung zur Erzeugung eines aus aufeinanderfolgenden Tintentröpfchen bestehenden Tintenstrahls zu schaffen, wobei insbesondere die Bildung von Satellitentröpfchen in einem Tintenstrahl praktisch unterdrückt werden soll. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß zur Erzeugung einer periodischen asymmetrischen Störung in dem Strahl das periodisch auf den Strahl einwirkende Kraftfeld asymmetrisch ausgebildet ist, d. h, daß in der Wirkung auf den Tintenstrahl dessen Vorderflanke und Hinterflanke eine wesentlich verschiedene Steigung aufweisen. Vorzugsweise ist die Anordnung dabei so getroffen, daß zur Erzeugung des asymmetrischen Kraftfeldes ein über eine Erregerwicklung von einem Impulsgenerator ansteuerbarer C-förmiger Magnetkern vorgesehen ist, zwischen dessen einander gegenüberliegenden Polschuhen der Tintenstrahl hindurchtritt, wobei die Polschuhe des C-förmigen Magnetkerns jo einen ungleichmäßig breiten Luftspalt bilden, der sich in Flugrichtung des Tintenstrahls erweitert und der die Erregerwicklung des Magneten ansteuernde Impulsgenerator ein asymmetrisches Signal abgibt.

Der zur magnetischen Erregung benutzte Wandler r> 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. Asymmetrische 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 weite, en Bereich der Betriebsbedingungen durchführen, wodurch die Aufzeichnung mit Hilfe eines Tintenstrahls 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 τ, einzigen Tröpfchens verschmolzen werden.

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

In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 schematisch eine isometrische Ansicht eines Tintcnstrahlschreibers mit einem Tröpfchengenerator, der gemäß der Erfindung aufgebaut ist und arbeitet, b^r>

K ig. 2—5 die Kraft- und Momentenverteilung Für verschiedene Wellenfornien der zur Erregung benutzten Wellen zur Erläuterung des Prinzips der erfindungsgemäß ausgenutzten Asymmetrie,

Fig.6—13 verschiedene Wellenformen zur Erzeugung von satellitenfreien Tröpfchen und für eine Verschmelzung von Satellitentröpfchen mit den Hauttröpfchen in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung und

Fig. 14 ein Blockschaltbild einesTröpfchenfrequenzgeneiators zur Erzeugung der verschiedenen hier dargestellten Wellenformen.

In F i g. 1 ist ein Tintenvorratsbehälter \0 gezeigt, der eine magnetische Tinte enthält Die hier verwendbare magnetische Tinte ist vorzugsweise isotrop und praktisch remanenzfrei. Ein Beispiel für eine magnetische Tinte ist eine stabile colloidale Suspension von Magnetitteilchen (FesOt) mit einer Teilchengröße von etwa 100 Λ in Wasser, wobei die einzelnen Teilchen von einem Benetzungsmittel umgeben sind.

Von dem Vorratsbehälter 10 wird die magnetische Tinte einer Düse 11 unter einem Druck von beispielsweise 0,14 Kilopond/cm² bis 0,35 Kilopond/cm² zugeführt und tritt als Tintenstrahl 12 durch eine Bohrung am Ende der Düse 11 aux 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 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 20, die durch die Steuervorrichtung 14 aus dem Strahl 12 abgelöst werden und beträgt vorzugsweise '/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 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 ?olp^ares etwa 2V2- bis 4mal so groß sein wie der Strahldurchmesser. Durch die Erregung der auf dem Magnetkern 15 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 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 Datensignaigeneraior entsprechend den eingangsseitig zugeführten Daten impulsmäßig angesteuert wird und demgemäß vorbestunmte 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 Tropf chon 20 bewegen sich als ein Tintentröpfchenstrahl durch einen Spalt im Ablenkmagneten 26, der vor dem Ablauf 24 und dem Aufzeichnungsträger 25 angeordnet ist. Ein vom Raslerabtastsignal-Gencrator 28 kommen des sägezahnförmiges Signal wird einer Wicklung 29 des Ablenkmagneten 26 zugeführt und bewirkt, dall die ausgewählten und die nicht ausgewählten 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 auftreffen. 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 Fig.2A, 2B und 2C dienen der Erläuterung dieses Phänomens. Gemäß F i g. 2A wird eine vollkommen symmetrische oder antisymmetrische Wellenform, wie die Rechteckwelle 32 durch den Tröpfchenfrequenzgenerator 19 der F i g. 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. 2B gezeigt. Die Kurve 37 der räumlichen Verteilung der Kraftlinien ist zum Punkt 31 spiegelbildlich. Diese räumliche Verteilung der Kraftlinien, die sich aus der Rechteckimpulsform 32 ergibt, ergibt eine Geschwindigkeitsänderung des sich bewegenden Tmtentröpfchenstrahls, welche in F i g. 2C durch die Kurve 38 dargestellt ist und bezüglich der Punkte, an denen die Tröpfchen gebildet werden, vollkommen spiegelbildlich ist. Daraus ergeben sich Satellitentröpfchen 39 und Haupttröpfchen 40, die vollkommen stabil sind, da das integrierte Moment für die Tröpfchen gleich Null ist.

Fig. 3A bis 3C zeigen den Fall der Asymmetrie. In F i g. 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 spiegelbildlich, ledoch ist die resultierende Monicntenverteilung, wie man dies aus der übertriebenen Darstellung der Kurve

'5 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

K) Haupttröpfchen 40 in einer stabilen Position, während die Satellitentröpfchen 39 unstabil sind und in Richtung auf die Haupttröpfchen beschleunigt werden.

Wie man aus den F i g. 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 FaI! wird eine symmetrische Rechtcckweüe 32 (F i g. 4A) zur Erregung der zweistufigen Steuervorrichtung benutzt. Die Polschuhe 44 und 45 weisen Luftspalte 46 und 47 auf, die sich in Richtung zur Düse verengen. Die räumliche Verteilung der magnetischen Kräfte, die durch die Kurve 48 in Fig.4B dargestellt ist, ist nicht mehr spiegelbildlich, sondern ist nunmehr asymmetrisch. Als Ergebnis erhält man eine asymmetrische Momentenverteilung, bei der die .Satellitentröpfchen 39 instabil sind und sich in Richtung auf die Haupttröpfchen beschleunigen, wie man dies aus der Geschwindigkeitskurve 49 in Fig.4C erkennt. Im Fall der Fig.4A bis 4C wird die Asymmetrie ausschließlich durch den

jo Aufbau nicht gleichförmiger Luftspalte erzielt, während der für die Erregung der Steuervorrichtung verwendete Strom symmetrisch bleibt.

In den F i g. 5A bis 5C sind die zusammengefaßten Wirkungen einer Erregung mit einer verzerrten

Ji Wellenform (Kurve 41 in F i g. 5A) und ungleichförmiger Luftspalte (46 und 47 in F i g. 5B) für die Polschuhe 44, 45 (in Fig.5B) der zweistufigen Steuervorrichtung gezeigt. Wie aus Kurve 50 in Fi g. 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 Momentenverleilung ergibt, wie dies aus Kurve 51 in F i g. 5C zu erkennen ist, so daß die Satellitentröpfchen 39 wiederum instabil werden und sich in Richtung auf die Haupttröpfchen 40 beschleunigen.

Obgleich bestimmte konstruktive Formen in Beziehung auf eine zweistufige magnetische Steuervorrichtung gezeigt wurden, so ist es doch klar, daß die gleiche konstruktive Ausgestaltung 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 ein schnelles Zusammenfließen der Satellitentröpfchen oder die Bildung satellitenfreier Tröpfchen bewirken.

Beispielsweise können die zweistufige Steuervorrichtung gemäß F i g. 2 bis 5, wie auch andere, mehrstufige Steuervorrichtungen, aufeinanderfolgende unterschiedliche, nicht gleichförmige Luftspalte aufweisen und

b5 damit eine Verschiebung der magnetischen Kraftlinien und der magnetischen Momente bewirken.

Verschiedene asymmetrische Wellenformen lassen sich zur Erzeugung von Tröpfchen, die frei von

Satellitentröpfchen sind, oder für ein schnelles Zusammenfließen von Satcllilcntröpfchcn mit Haupttröpfchen benutzen. Ein etwa sägezahnförmiger Slrornverlauf 55 mit einer Spitzenamplitude von 0,5 Ampere und einer Frequenz von 30,8 kHz wui'de z. B. einer einstufigen ^ri Steuerstufe 14 mit einem gleichförmigen Luftspalt von 0,152 mm zugeführt. Die Breite der Polschuhe betrug 0,108 mm. Eine magnetische Flüssigkeit wurde unter einem Druck von 2,52 kp/cm² einer Düse mit einem Durchmesser von 0,0635 mm zugeführt und ergab einen κι Tröpl'chenabstand von 0,445 mm. Der Pfeil 56 (F i g. 6, 7) gibt die Strömlingsrichtung des Tintenstrahls an. Wie man erkennt, hat sich das Tröpfchen 57 von dem Verbindungsabschnitt 58 eines kontinuierlichen Tintenstrahls 12 abgelöst und weist selbst noch einen Verbindungsabschnitt 59 auf. Innerhalb des Abstandes einer Tröpfchenwelienlänge ist dieser Verbindungsabschnitt im wesentlichen verschwunden und ist in das Haupttröpfchen übergegangen.

Wie man aus F i g. 7 erkennt, bildet sich vor dem Tröpfchen 61 ein Satellitentröpfchen 60, das sich anschließend innerhalb der Wellenlänge eines einzigen Tröpfchens mit dem Haupttröpfchen vereinigt. Die Steuervorrichtung war in F i g. 7 die gleiche wie in Fig.6, nur daß die Amplitude des zur Ansteuerung benutzten Stromes bei etwa 0,25 Ampere lag. Man sieht also, daß bei einem tatsächlich ausgeführten Tintenstrahldrucker bei Stromschwankungen oder vorübergehender Änderung in der Stromversorgung der Steuervorrichtung, wenn eine etwas kleinere Leistung zugeführt wird, sich die Druckqualität eines Tintenstrahldruckers' 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 F i g. 8 gezeigte Wellenform 63 steigt schnell an und fällt langsam ab und weist eine Amplitude von 0,5 Ampere auf. Mit dieser Wellenform wurde die einstufige Steuervorrichtung der F i g. 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, sondern bleibt am hinteren Ende nach dem Abreißen des Tröpfchens 65 an diesem hängen, verschwindet aber fast vollständig innerhalb einer Tröpfchenwellenlänge.

In Fig.9 wird eine Wellenform 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 65weniger fest zusammenhängt und daß bei geringeren Stromstärken wahrscheinlich Satellitentröpfchen gebildet wurden. 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.

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

In F i g. 10 und 11 werden die gleichen Wellenformen 55 und 62 verwendet wie in den F i g. 6 und 7 und werden mit einer Frequenz von 32,2 kHz einer zweistufigen Steuervorrichtung zugeführt. 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 2,25 kp/cm² nach einer Düse mit einem Durchmesser von 0,00635 mm zugeführt, und dies ergab einen Abstand der Tröpfchen voneinander von 0,038 mm.

Wie man in F i g. 10 erkennt, bleibt der Verbindungsabschnitt 64 am rückwärtigen Ende des Tröpfchens 65 hängen, so daß sich keine Satellitentröpfchen bilden. In F i g. 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 F i g. 10 und 11, daß entweder eine Erhöhung der Stärke des Stromes über 0,2 Ampere hinaus oder eine höhere Amplitude der unsymmetrischen Wellenform 62 den Verschmelzungsabstand verringern oder die Bildung von Satellitentröpfchen beseitigen würde.

In den Fig. 12 und 13 wurden praktisch die gleichen rasch ansteigenden und langsam abfallenden Wellenformen 63 und 66 der F i g. 8 und 9 mit einer zweistufigen Steuervorrichtung der Fig. 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.

Ändert man, wie zuvor mit einer einstufigen Steuervorrichtung, die Wellenform von langsamem Anstieg zu schnellem Anstieg, so 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 ein schnelles Zusammenfließen zwischen Satellitentröpfchen und Haupttröpfchen zu erzielen. Aus den bisher gegebenen Beispielen läßt sich erkennen, daß eine bevorzugte asymmetrische Wellenform etwas 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 a 21 a 1=0,5 und das Verhältnis der dritten Harmonischen zur Grundwelle a 3/a 1 =0,33 ist, so daß die Gleichung dieser idealisierten, sägezahnförmigen Wellenform durch folgende Gleichung ausgedrückt wird:

a„ sin

Im Fall der Wellenform 66 (Fig.9) ist das angenäherte Verhältnis a 21a \ =0,24 und das Verhältnis a 3/a 1=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 Abfailzeit wesentlich verschieden ist. Wenn man diese Unterschiede genau steuert und die Steuervorrichtung entsprechend auf- ^r> baut, dann kann man die Richtung des Abreißens der Bindungen zwischen den einzelnen Knoten und das Zusammenfließen von Satellitentröpfchen mit Hauttröpfchen genau steuern.

Zur Erzeugung der hier für die Erfindung verwende- ι ο ten Wellenformen lassen sich verschiedene Schaltungen einsetzen. Eine derartige Schaltung zeigt Fig. 14. Ein von einem Impulsgenerator 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 Impulsgenerator 80 kommenden Signals entspricht der Frequenz der gewünschten Störung und der Tröpfchenfrequenz im 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 /0 bzw. /1 liefern, lassen sich durch Regelwiderstände 86 bzw. 87 in der Weise einstellen, daß der Strom /0 niemals größer ist als der Strom /1. Die Dioden 88 und 89 halten die Eingangsspannung Vein zwischen vorbestimmten oberen und unteren Grenzwerten. Ist der Schalter 82 geschlossen, dann bestimmt die Stromdifferenz (/1 — /0) 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 /0 die Entladegeschwindigkeit des Kondensators 83 steuert und damit die Steigung der fallenden Spannung (d. h. die Abfallzeit) des Eingangs signals 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 £0 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 Ve//v 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. 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 Satelliteniröpfchen 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.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Erzeugen von Tröpfchen in einem Tintenstrahldrucker mit einem eine unter Druck stehende, ablenkbare Tinte enthaltenden Vorratsbehälter und einer damit Ober eine Leitung verbundenen Düse zur Abgabe eines kontinuierlichen Tintenstrahls und mit einer Steuervorrichtung zum Erzeugen periodischer Störungen im Tintenstrahl vor seinem Zerfall in einzelne Tröpfchen durch ein auf den Tintenstrahl einwirkendes periodisches Kraftfeld in der Nachbarschaft des Strahls, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer periodischen asymmetrischen Störung in dem Strahl das periodisch auf den Strahl (12) einwirkende Kraftfeld asymmetrisch ausgebildet ist,

d. h, daß in der Wirkung auf den Tintenstrahl dessen Vorderflanke und Hinterflanke eine wesentlich verschiedene Steigung aufweisen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 unter Verwendung einer ferromagnetischen Tinte, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des asymmetrischen Kraftfeldes ein über eine Erregerwicklung (18) von einem Impulsgenerator (19) ansteuerbarer C-förmiger Magnetkern (15) vorgesehen ist, zwischen dessen einander gegenüberliegenden Polschuhen (16,17) der Tintenstrahl (12) hindurchtritt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhe (44,45) des C-förmigen m Magnetkerns (15) einen ungleichmäßig breiten Luftspalt (46,47) bilden, der sich in Flugrichtung des Tintenstrahls (12) erweitert.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der die Erregerwicklung (18) des r> Magneten ansteuernde Impulsgenerator (19) ein asymmetrisches Signal abgibt.