DE2554499C3 - Düsenkopf für einen Tintenstrahldrucker - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebene Art eines Düsenkopfes.

Bei Tintenstrahldruckern, 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 Tintengeschwindigkeit oder Tintendruck innerhalb der Kammer vor der Düse erzeugt. Eine Geschwindigkeits-Modulation wird im allgemeinen dadurch erreicht, daß ein clektromcchanischcr Wandler (gewöhnlich ein piezoelektrischer Kristall) fest mit der Oberfläche verbunden wird, ir. welcher die Austntldüse ungeordnet isl. Die Firreguiig Jos Wandlers verursacht dann, daß die Düse entlang der longitudinalen Achse des austretenden Stroms im Rhythmus 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 US-Patentschrift 35 12 172 beschrieben.

Druckmodulation wird im allgemeinen c.idurch herbeigeführt, daß ein eiektromechanischer Wandler (normalerweise ein piezoelektrischer Kristall) entweder in der Flüssigkeitskammer oder um die Kammer herum angeordnet wird. Durch die Erregung des Wandlers werden stehende Welien 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 32 81 860 ist ein Beispiel für diese Druck-Modulation beschrieben.

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 bei 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 der 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.

Es ist ferner bei einem Flüssigkeitszerstäuber (US-PS 36 79 132) bekannt, eine Düsenplatte aus piezoelektrischem Material zu verwenden, bei der die Größe der Öffnung sich bei Erregung des Piezokristalls im Rhythmus der Frequenz ändert.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Düsenkopf für einen Tintenstrahldrucker anzugeben, der eine einwandfreie Tropfenbildung gewährleistet, d. h. eine Luftblasenbildung und irreguläre Modulationen weitgehend verhindert.

Es isl zwar für ein periodisches Verändern der durch die Tintenleitung einer Düse zugeführten Tintenmenge durch die US-PS 32 98 030 bekannt, den Querschnitt der Tintenleitung durch einen piezoelektrischen Wandler zu verändern, und durch die US-PS 33 46 869 ist es bekannt, den Düsenhauptkörper einer aus einem magnetostriktiven Material bestehenden Düse mit einer Wicklung zu umgeben. In beiden Fällen wird jedoch nicht wie bei der Erfindung direkt aiii den Querschnitt der Düsenöffnung eingewirkt. Durch die erfindungsgemäße Querschnittsveränderung wird der Querschnitt einer Tintensäule verändert, die sehr kurz ist, nämlich nur so lang, wie das die Düsenöffnung aufweisende Plättchen. Dadurch nimmt die Wahrscheinlichkeit ab, daß im Bereich der Kontraktion sich Luft befindet. Auch die Möglichkeit von Druckreflektionen wird gemindert, da zwischen der die Querschnittsveränderung erleidenden Tintensäule und den Kammerwanden die nachgeführte Tinte dämpfend wirkt.

Weitere Merkmale der Erfindung sind den Unteran-

Sprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung ist nachstehend an Hand von in den Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen Düsenkopf,

F i g. 2 schematisch einen Düsenkopf mit mehreren Düsen,

F i g. 3 eine andere Ansicht des Düsenkopfes gemäß F i g. 2, und

Fig.4 und 5 Längsschnitte durch weitere Ausführungsformen des Düsenplättchens.

In F i g. 1 ist ein Düsenkopf 1 gezeigt, der ein Rohr 2 umfaßt, das eine Kammer für unter Druck stehende Tinte bildet, eine Platte 3, die ein Ende des Rohres 2 abschließt und die eine Düsenöffnung 4 aufweist, aus welcher ein Tintenstrahl 5 austreten kann, und ein Wandler 6, der das Rohr 2 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, ζ. i\ 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 Überzug 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 Signalgenera'ors zu verbinden ist.

Im Betrieb wird dem Rohr 2 unter Druck stehende Tinte zugeführt, die in Form 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 Größe 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 Änderungen in der Durchflußmenge der Tinte durch die Düse bewirkt. Die Änderungen 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 beeinfluPi den Abstand von der Düse, in welchem sich die Tronfen bilden.

Die obere Grenze de' Frequenz, mit welcher die Düse moduliert werden kann, ist durch die Beziehung

bestimmt, worin / 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 Düsenlänge 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/s?k, und für eine Düsenlänge von 0,076 mm ergibt sich eine obere Frequenzgrenze von etwa 195 kHz.

Die Form der Düse 4 ist nicht »on besonderem Einfluß. Die Düse kann beispielsweise »innind. nämlich rechteckig, quadratisch oder elliptisch sein, da der freie Strahl in jedem Fall danach streben wird, die kleinstmögliche Querschnittsfläche aufzuweisen. L, ist jedoch wünschenswert, daß die Kräfte, die zur Änderung des Querschnitts der Düse angelegt werden. radialsymmetrisch sind, da sonst der Tintenstrahl von der longitudinalen Achse der Düse abweicht und demnach ein Richtproblem besteht

Die F i g. 2 und 3 zeigen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, in welchem eine lineare Anordnung von Düsen gleichzeitig betätigt werden kann, um identische Störungen in jedem der austretender; Strahlen hervorzurufen. Ein Düsenblock 10 weist eine Tintenzuführung 11 auf und bildet eine Kammer 12, von 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 gehauen sein. Der Düsenblock 10 ist zwischen zwei planen 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 Düsenblock 10 benachbarten leitenden Schichten sind mit der Masseklemme des Signalgenerators 20 verbunden, während die beiden äußeren leitenden Schichten 19 von den Halterungen 18 isoliert und mit der Ausgangsklemme des Signalgenerators verbunden sind.

Im Betrieb wird unter Druck stehende Tinte dei Kammer 12 und damit den Kanälen 13 zugeführt und trite als Tintenstrahl aus jeder der genannten Düsen 15 in der Düsenplatte 14 aus. Nach dem Einschalten ties Signalgenerators 20 verursacht die an den Elektroden eines jeden Kristalls anliegende Spannung dessen Zusammenziehung und Ausdehnung und die Kraftausübung auf die Düs'nplatten 14. Dadurch werden die Düsen 15 und die Düsenplatten 14 augenblicklich zusammengezogen und erhalten einen elliptischen Querschnitt, wodurch die Durchflußmeng': durch die Düse herabgesetzt und Störungen in den austretenden Tintenstrahlen verursacht werden. Die gleichzeitige Ausübung der Kraft s.u.' 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 Finsatz komplizierter Phasensieuerungsschaltungen möglich war, mit denen der Druck oder die Geschwindigkeit moduliert werden mußte.

Die F i g. 4 und 5 zeigen weitere Ausführungsformen von Düsenplattcn, die im Zusammenhang mit der Ei findung benutzt werden können. Bei beiden Ausfüh- i< rungsbeispielen ist die Dicke des zentralen Teils der Düsenplattcn gegenüber den Randbercichen reduziert, um eine größere Änderung der Abmessungen der Düsen durch die Modulation zu ermöglichen. In Fig. 4 nimmt die Dicke der Düscnplatte 21 zur zentralen ι ί Düsenöffnung 22 hin ab. In F i g. 5 ist die Düscnplatte 23 beidseitig zwischen vorzugsweise aus dem gleicher Material bestehenden Ringen 24 eingespannt.

Kin weiteres Ausführungsbcispiel einfacher Kon siriiktion ist die Ausgestaltung einer Kammer urn. Düsen direkt in einen Block von piezoelektrische! Material. Der Kristall wird zwischen festen Gchäusctei len gehalten, wie das in den F i g. 2 und 3 gezeigt ist. um kann dadurch betätigt werden, daß zwei ähnliche Signalgeneratoren an gegenüberliegende Oberfläche! des Kristalls angeschlossen werden, die um 180 gegeneinander phasenverschobene Signale liefern Diese Anordnung ist für die Modulation großer Düsei geeignet, da die bei der Herstellung von Düsen füi Zwecke eines Tintendruckers einzuhaltende (ienauig keil bei kristallinem Material sehr schwer zu realisiere! ist.

llii'i/ii I Rhitt

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Für einen Tintenstrahldrucker vorgesehener Düsenkopf, der an eine Tintendruckquelle angeschlossen ist und zur Erzeugung von Störungen in dem aus der Düse austretenden Tintenstrahl einen elektromechanischen Wandler aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende der Tintenzuführleitung (2 bzw. 13) von einem dünnen, die Düsenöffnung (4 bzw. 15 bzw. 22) aufweisenden Plättchen (3 bzw. 14 bzw. 21 bzw. 23) aus einem einen hohen Elastizitätsmodul aufweisenden Material abgeschlossen ist, wobei der Querschnitt der Düsenöffnung (4 bzw. 15 bzw. 22) durch den direkt auf das Plättchen (3 bzw. 14 bzw. 21 bzw. 23) einwirkenden elektromechanischen Wandler (6, 7,8 bzw. 17,19) veränderbar ist.

2. Düsenkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektromechanische Wandler wenigstens c:.ien piezoelektrischen Kristall (6, 17) sowie auf dessen gegenüberliegenden Oberflächen angeordnete elektrisch leitende Schichten (7, 8, 19) umfaßt.

3. Düsenkopf nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektromechanische Wandler (6) das Düsenplättchen (3) ringförmig umgibt.

4. Düsenkopf nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Wand einer langgestreckten Tintenkammer (12) pro Düse ein Zuführkanal (13) vorgesehen ist, der an seinem der Kammer (12) abgewancuen Ende einen erweiterten Abschnitt (16) aufweist in dem üas die Düsenöffnung (15) aufweisende Plättchen (1-1) flüssigkeitsdicht eingesetzt ist und daß alle diese 'iättchen (14) an diametral gegenüberliegenden Seiten von zwei parallel in starren Halterungen (18) eingespannten piezoelektrischen, planparallelen Kristallplatten (17) gemeinsam berührt werden.

5. Düsenkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Düsenplättchen (21) in dem mit dem Wandler (6,7,8) verbundenen Bereich dicker ist als in der Umgebung der Düsenöffnung (22).