DE2554499A1

DE2554499A1 - Verfahren zum erzeugen von stoerungen in einem tintenstrahl

Info

Publication number: DE2554499A1
Application number: DE19752554499
Authority: DE
Inventors: Frank John Demaine; Robert Elden Pelkie; Normand Coy Smith; Reinhold Ernst Tomek
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1974-12-18
Filing date: 1975-12-04
Publication date: 1976-07-01
Also published as: BR7508379A; IL48486A0; FR2294762B1; BE835163A; DE2554499C3; ZA755800B; US3958249A; DE2554499B2; CH587725A5; AT347143B; IL48486A; AU499240B2; CA1056440A; SE7513553L; ES443261A1; IT1043507B; JPS5185635A; FR2294762A1; GB1483435A; AU8718675A

Description

■Aktenzeichen der Anmelderin: EW 974 032

Verfahren zum Erzeugen von Störungen in einem Tintenstrahl

Die Erfindung betrifft ein im Oberbegriff des Anspruchs 1 angebenes Verfahren zum Erzeugen von Störungen in einem aus einer Düse austretenden Tintenstrahl»

Bei Tintenstrahl-Druckern, in denen unter Druck stehende Tinte benutzt wird, ist es erforderlich, den zum Drucken benutzten Tintenstrahl in individuelle Tropfen gleicher Größe und gleichen Abstandes aufzubrechen. Dieses Aufbrechen des Strahls wird durch Erzeugen einer Folge von Störungen in dem aus der Düse austretenden Flüssigkeitsstrahl erreicht. In der Vergangenheit wurden derartige Störungen durch die Modulation von

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Tintengeschwindigkeit oder Tintendruck innerhalb der Kammer vor der Düse erzeugt. Eine Geschwindigkeits-Modulation wird im allgemeinen dadurch erreicht, daß ein elektromechanischer Wandler (gewöhnlich ein piezoelektrischer Kristall) fest mit der Oberfläche verbunden wird, in v/elcher die Austrittdüse angeordnet ist. Die Erregung des Wandlers verursacht dann, daß die Düse entlang der longitudinalen Achse des austretenden Stroms im Rhytmus der angelegten Frequenz oszilliert, wodurch in der Nachbarschaft der Düse innerhalb der Tinte Druckschwankungen erzeugt werden. Diese Schwankungen leiten die Bildung von Tropfen ein. Ein Beispiel für diese Art der Störungserzeugung ist in der USA-Patentschrift 3 512 172 beschrieben.

Druckmodulation wird im allgemeinen dadurch herbeigeführt, daß ein elektromechanischer Wandler (normalerweise ein piezoelektrischer Kristall) entweder in der Flüssigkeitskammer oder um die Kammer herum angeordnet wird. Durch die Erregung des Wandlers werden stehende Wellen innerhalb der Kammer erzeugt, die der Tinte Druckschwankungen überlagern. Auch diese Störungen führen in der Nachbarschaft der Düse zur Bildung von Tropfen in dem aus der Düse austretenden Flüssigkeitsstrahl. In der USA-Patentschrift 3 281 860 ist ein Beispiel für diese Druck-Modulation beschrieben.

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bei jedem dieser Modulationsverfahren treten reflektierte !Wellen auf, die schwierig zu kontrollieren sind und enge !Toleranzen bei den beteiligten Bauelementen erfordern. Das führt zu hohen Kosten. Außerdem ergeben sich Schwierigkeiten

t>ei der Konstruktion von Tintenkammern, deren Eigenschaften Wenigstens einigermaßen konstant bleiben, da die angelegten (Signale für die Erregung des Wandlers darauf abgestimmt werden

müssen, und was schon wegen der stets variierenden Füllstände jder Kammern sehr schwierig zu erreichen ist. Das Zusammenwirken von Tintenkammer und Wandler wird auch durch die Gegenwart von Luftblasen in der Tinte behindert. Durch reflektierte Wellen können innerhalb der Kammer irreguläre Modulationen auftreten, die zu ungleichmäßigen Abständen zwischen den Tropfen oder verschiedener Tropfengröße führen und die Bildung von Satellitentropfen begünstigen.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Modulieren eines Tintenstroms anzugeben, das eine einwandfreie Tropfenbildung ermöglicht.

Weitere Merkmale der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

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

Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Düsen-

anordnung,

Fig. 2 schematisch eine Anordnung mit mehreren Düsen,

Fig. 3 eine andere Ansicht der Anordnung

gemäß Fig. 2,

Fign. 4 u. 5 Längsschnitte durch weitere Ausführungsformen der Düse.

In Fig. 1 ist eine Düsenanordnung 1 gezeigt, die ein Rohr 2 umfaßt, das eine Kammer für unter Druck stehende Tinte bildet, eine Platte 3, die ein Ende des Rohres abschließt und die eine Düsenöffnung 4 aufweist, aus

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welcher ein Tintenstrahl 5 austreten kann, und ein Wandler 6, der das Rohr mit seiner Düsenplatte 3 umgibt. Die Düsenplatte 3 besteht vorzugsweise aus einem Material mit hohem Elastizitätsmodul, welches chemisch inert gegen die Tinte ist, wie beispielsweise rostfreier Stahl. Die Platte 3 kann mit dem Rohr 2 durch konventionelle Technik verbunden sein z.B. durch Glasfluss oder Löten.

Der Wandler 6 kann als zylindrischer piezoelektrischer Kristall ausgebildet sein, der konzentrisch das Rohr 2 und die Platte 3 umgibt und auf seiner Innenfläche 7 wie auf seiner Aussenfläche 8 mit einem elektrisch leitenden Ueberzug versehen ist, der beispielsweise aus Nickel oder Silber bestehen kann. Wandler 6 und Rohr 2 müssen fest aufeinandersitzen, und der Wandler kann an der Platte 3 und an dem Rohr 2 mittels Löten oder durch andere geeignete Massnahmen befestigt werden. Die beiden Oberflächen des piezoelektrischen Kristalls des Wandlers 6 werden an die Ausgangsklemmen eines konventionellen Signalgenerators angeschlossen. Vorzugsweise ist die mit der Platte 3 in Verbindung stehende innere Oberfläche 7 mit Masse verbunden, um die Tinte auf Massenpotential zu halten, während die Oberfläche 8 mit dem Ausgang des Signalgenerators zu verbinden ist.

Im Betrieb wird dem Rohr 2 unter Druck stehende Tinte zugeführt, die in Form

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eines Tintenstrahls 5 aus der Düse 4 austritt. Wie bei Tintenstrahl-Druckern üblich, beträgt der Durchmesser des Tintenstrahls zwischen 0,02 und 0,07 mm. Der unbeeinflusste Strahl wird sich natürlicherweise in einzelne Tropfen auflösen, was in irregulären Abständen von der Düse erfolgt. Es ist daher wünschenswert, in dem Tintenstrahl Störungen hervorzurufen, die in bestimmten Abständen zur Veränderung seines Querschnitts führen, wodurch der Strahl veranlasst wird, in einem konstanten Abstand von der Düse 4 in Tropfen gleicher Grosse aufzubrechen. Diese Störungen können durch die periodische Ausgangsspannung des Signalgenerators 9 hervorgerufen werden, die zur zyklischen Kontraktion und Expansion des ringförmigen Kristalls führen, welcher die Düsenplatte 3 umgibt. Der Kristall des Wandlers 6 ist im Stande, entsprechende kleine Reduktionen und Expansionen des Querschnitts der Düse 4 zu bewirken, welche ihrerseits kleine Aenderungen in der Durchflussmenge der Tinte durch die Düse bewirkt. Die Aenderungen der Durchflussmenge der Tinte ziehen Änderungen im Querschnitt des Tintenstrahls nach sich, die periodisch an bestimmten Stellen entlang des Strahls auftreten, und den Strahl dazu veranlassen, in vorbestimmten Abständen von der Düse einzelne Tropfen zu bilden. Die Signalamplitude beeinflusst den Abstand von der Düse, in welchem sich die Tropfen bilden.

Die obere Grenze der Frequenz, mit welcher die Düse moduliert werden kann,

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ist durch die Beziehung

bestimmt, worin f die angelegte Frequenz, ν die Geschwindigkeit des Tintenstrahls und L die Länge der Düse bedeuten. Diese Beziehung stellt sicher, dass die Einhüllende des austretenden Tintenstrahls während ihres Durchgangs vom Anfang bis zum Ende der Düselänge eine Querschnittsvariation aufweist. Andernfalls tritt der Tintenstrahl mit einem minimalen Querschnitt aus, ohne irgendwelche Störungen aufzuweisen. Wenn Tinte beispielsweise mit einem Druck von 2 bar dem Rohr 2 zugeführt wird, ergibt sich eine Tintengeschwindigkeit von 14,86 m /sek, und für eine Düsenlänge von 0,076 mm ergibt sich eine obere Frequenzgrenze von etwa 195 kHz.

Die Form der Düse 4 ist nicht von besonderem Einfluss. Die Düse kann beispielsweise unrund, nämlich rechteckig, quadratisch oder elliptisch sein, da der freie Strahl in jedem Fall danach streben wird, die kleinstmögliche Querschnittfläche aufzuweisen. Es ist jedoch wünschenswert, dass die Kräfte, die zur Aenderung des Querschnitts der Düse angelegt werden, radialsymmetrisch sind, da sonst der Tintenstrahl von derlongitudinalen Achse der Düse abweicht und demnach ein Richtproblem besteht.

Die Fign. 2 und 3 zeigen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, in welchem

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eine lineare Anordnung von Düsen gleichzeitig betätigt werden kann, um identische Störungen in jedem der austretenden Strahlen hervorzurufen. Ein Düsenblock 10 weist ein Tintenzuführung 11 auf und bildet eine Kammer 12, vom der eine Vielzahl von Kanälen 13 ausgeht, deren jede durch eine Düsenplatte 14 abgeschlossen ist, in welcher eine kreisrunde Düsenöffnung 15 angebracht wird. Die Düsenplatten 14 können in Senkbohrungen 16 im Düsenblock 10 durch Verlötung oder Glasschmelze gehalten sein. Der Düsenblock 10 ist zwischen zwei planaren Wandlern gehalten, die aus piezoelektrischen Kristallen 17 bestehen können, die ihrerseits.zwischen starr angeordneten Halterungen 18 montiert sind. Jeder der Kristalle 17 ist auf beiden Seiten mit einer elektrisch leitenden Schicht 19 überzogen. Die dem DUsenblock 10 benachbarten leitenden Schichten sind mit der Masseklemme des Signalgenerators 2 0 verbunden, während die beiden äusseren leitenden Schien ten 19 von den Halterungen 18 isoliert und mit der Ausgangsklemme des Signalgenerators verbunden sind.

Im Betrieb wird unter Druck stehende Tinte der Kammer 12 und damit den Kanälen 13 zugeführt und tritt als Tintenstrahl aus jeder der genannten Düsen 15 in der Platte 24 aus. Nach dem Einschalten des Signalgenerators 29 verursacht die an den Elektroden eines jeden Kristalls anliegende Spannung dessen Zusammenziehung und Ausdehnung und die Kraftausübung auf die

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Platten 24. Dadurch werden die Düsen 25 und die Platten 24 augenblicklich zusammengezogen und erhalten einen elliptischenQuerschnitt, wodurch die Durchflussmenge durch die Düse herabgesetzt und Störungen in den austretenden Tintenstrahlen verursacht werden. Die gleichzeitige Ausübung der Kraft auf eine Vielzahl von Düsen durch gemeinsam betätigte Wandler resultiert in der gleichzeitigen Erzeugung von Störungen und Tropfenbildung in den verschiedenen austretenden Tintenstrahlen in wenigstens angenähert gleichen Abständen von den Düsen. Diese Tatsache ist besonders wünschenswert beim Versuch, Synchronismus bei der Bildung von Tintentropfen zu wahren, was bisher nur durch den Einsatz komplizierter Phasensteuerungsschaltungen möglich war, mit denen der Druck oder die Geschwindigkeit moduliert werden musste.

Die Fign. 4 und 5 zeigen weitere Ausführungsformen von Düsenplatten, die im Zusammenhang mit der Erfindung benutzt werden können. Bei beiden Ausführungsbeispielen ist die Dicke des zentralen Teils der Düsenplatten gegenüber den Randbereichen reduziert, um eine grössere Aenderung der Abmessunge der Düsen durch die Modulation zu ermöglichen. In Fig. 4 nimmt die Dicke der Düsenplatte 21 zur zentralenTXisenöffnung 22 hin ab. In Fig. 5 ist die Düsenplatte 23 beidseitig zwischen vorzugsweise aus dem gleichen Material bestehenden Ringen 24 eingespannt.

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Ein weiteres Ausführungsbeispiel einfacher Konstruktion ist die Ausgestaltung einer Kammer und Düsen direkt in einen Block von piezoelektrischen Material. Der Kristall wird zwischen festen Gehäuseteilen gehalten, wie das in den Fign. 2 und 3 gezeigt ist, und kann dadurch betätigt werden, dass zwei ähnliche Signalgeneratoren an gegenüberliegende Oberflächen des Kristalls angeschlossen werden, die um 180 gegeneinander phasenverschobene Signale liefern. Diese Anordnung ist für die Modulation grosser Düsen geeignet, da die bei der Herstellung von Düsen für Zwecke eines Tintendruckers einzuhaltende Genauigkeit bei kristallinem Material sehr schwer zu realisieren . ist.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

Verfahren zum Erzeugen von Störungen in einem aus einer Düse austretenden Tintenstrahl eines Tintenstrahl-Druckers zum Auflösen des Strahls in einzelne Tropfen, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenquerschnitt periodischen Änderungen unterworfen wird, so daß die Durchflußmenge periodisch schwankt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkungsrichtung der periodischen Störungen radial zur Düsenöffnung ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenquerschnitt periodischen Kontraktionen unterworfen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet/ daß die periodischen Änderungen auf beiden Seiten der Düse zur Wirkung gebracht werden.
5. Düsenanordnung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens

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eine mit einer Kammer (2, 12) verbundene Düsenplatte (3, 14, 21) vorgesehen ist, die mit wenigstens einem an einen Signalgenerator (9, 20) angeschlossenen elektromechanischen Wandler (6, 17) starr verbunden ist.
6. Düsenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (2) zylinderförmig ausgebildet ist, und daß der elektromechanische Wandler (6) die Kammer (2) und die diese abschließende Düsenplatte (3) ringförmig umgibt.
7. Düsenanordnung nach Anspruch 5_f dadurch gekennzeichnet, daß der elektromechanische Wandler wenigstens einen piezoelektrischen Kristall (6, 17) sowie auf dessen gegenüberliegenden Oberflächen (7, 8, 19) angeordnete elektrisch leitende Schichten umfaßt.
8. Düsenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der elektromechanische Wandler zwei planare piezoelektrische Kristalle (17) umfaßt, die auf beiden Seiten einer langgestreckten Kammer (12) angeordnet sind, und die beidseitig mit einer elektrisch leitenden Schicht (19) bedeckt sind.

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9. Düsenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenplatte (3, 21) größere Dicke aufweist, wo sie mit dem Wandler (6) verbunden ist und kleinere Dicke in der Umgebung der Düsenöffnung (4, 22).

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