DE2617885A1

DE2617885A1 - Tintenstrahldrucker

Info

Publication number: DE2617885A1
Application number: DE19762617885
Authority: DE
Inventors: Frederick Hochberg; William B Pennebaker; Keith S Pennington
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1975-05-12
Filing date: 1976-04-23
Publication date: 1976-11-25
Also published as: GB1491848A; JPS604786B2; US4019188A; JPS524125A

Description

Böblingen, den 12. April 1976 heb--fr

Anmelderin: International Business Machines

Corporation,: Armonk, N.Y. 10504

ÄratlicFies Aktenzeichen- Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: YO 974 051

Die vorliegende Erfindung betrifft einen neuartigen Tintenstrahldrucker unter Verwendung eines Tintennebels und insbesondere einen Tintenstrahldrucker,- bei dem die Tinten teilchen in einem Aerosol nebelartig mitgerissen werden.

Es gibt bereits im Stand der Technik einige Verfahren- mit deren Hilfe das Aufbringen oder niederschlagen einer Wolke oder eines Hebels aus fein verteilten Teilchen auf einer gewünschten Oberfläche stauerbar ist. Solche Verfahren werden zum Drucken, Kopieren, Herstellen von überzügen.- Metallisierungen, für Reproduktionen und dgl. benutzt. Im allgemeinen verwenden diese Verfahren eine Art elektrostatischer Steuerung, bei der die Teilchen der Wolke oder des Nebels aufgeladen werden- wobei dann der Flug der aufgeladenen Teilchen nach der gewünschten Oberfläche beispielsweise durch selektive Feldablenkung oder Ausfällen der Teilchen aus der Bahn nach der zu treffenden Oberfläche gesteuert wird. Bei anderen bekannten Anordnungen wird das selektive Aufbringen oder Niederschlagen von Teilchen durch elektrostatische Steuerung der ^:5ffnungen, die nach der zu treffenden Oberfläche führen, durchsperrende oder nicht sperrende Felder bewirkt.

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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird dadurch gelöst,-daß in einem mit Mikronebel arbeitenden Tintenstrahldrucker ein Mikronebel aus Tintenteilchen durch einen Ultraschallzerstäuber erzeugt und durch eine kleine Düse zur Bilduncr eines Aerosol-Strahls hindurchgepreßt wird. Der Ultraschallzerstäuber liefert dabei Tintenteilchen von Mikrongröße (vorzugsweise etwa 2 bis 10 Mikron) in einem Aerosol. Die Geschwindigkeit des Aerosolstrahls steht im allgemeinen in umgekehrter Beziehung zur Größe der Tin-

tenteilchen, ^{so daß die in dein} Strahl mitgerissenen Tintenteil ι chen in einem ganz schmalen Bereich fokussiert sind, der wesent-

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'Gemäß einem in den US-Patentschriften Nr. 2 573 143 und 2 577 offenbarten Verfahren wird Tinte zerstäubt und in einem Luftstrom als Nebel mitgerissen, der eine Koronaelektrode durchläuft., an ί

i der die Tintenteilchen aufgeladen werden. Die aufgeladenen Tin- I

: tenteilchen durchlaufen dann einen Hohlraum in einer Niederschlags!

i \ vorrichtung, bei der ein elektrisches Feld bewirkt, daß die ge- '

ladenen Teilchen auf einer Seite des Hohlraumes niedergeschla- ' , gen werden. Die Anzahl der Teilchen., die aus den Strom abgelenkt

werden, hängt von der Stärke des elektrischen Feldes ab, wodurch ! auch die Menge der auf den Aufzeichnungsmedium, das gegenüber ! der öffnung des Hohlraumes angeordnet ist,- niedergeschlagenen : Tinte gesteuert wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Tintenstrahldrucker mit einem Mikronebel zu schaffen, mit dessen Hilfe sehr feine, dichte Linien auf einem Druckträger herstellbar sind ohne Anlegen magnetischer oder elektrischer Felder an oder in Nachbarschaft eines Druckträgers, um eine selektive oder kontrollierte Benetzung des Druckträgers mit Tintenteilchen zu erzielen. Dabei soll insbesondere erreicht werden, daß die Düse dieses neuartigen Tintenstrahldruckers praktisch frei von Tintenrestsn bleibt und nicht durch diese verstopft wird. Vorteilhafterweise läßt sich dieser Tintenstrahl sehr wirksam steuern oder modulie-

lieh schmäler ist, als der Gesaintdurchmesser des Strahls und der Durchmesser der Düse. Für die Bestimmung der Fokussiereigenschaf- : ten des Aerosolstrahls wird die Teilchengröße, die Geschwindig- ! keit des Strahls und die Viskosität der Luft oder eines anderen i Trägergases in Betracht gezogen, wobei dann der Strahl mit entsprechenden Trägheitskräften gegen das Papier gerichtet ist und , dieses benetzt, so daß sich dichte, gut definierte Drucklinien . ergeben. Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird ; die Modulation oder Steuerung des Aerosolstrahls durch eine ; Strömungsmittelsteuerung erreicht, wobei in die Bahn des Aerosolstrahls ein Vakuum eingeführt wird,- das ihn von seiner Druckbahn absperrt. In einer weiteren Ausführungsform wird eine Turbulenzsteuerung in der Weise durchgeführt., daß durch Schallerregung in dem Aerosolstrahl eine Turbulenz eingeführt wird. Die Schaller-¹ regung ändert den Aerosolstrahl von laminarer Strömung in turbu- '-■ lente Strömung der Teilchen. Die turbulente Strömung bewirkt eine Vermischung mit der umgebenden Luft und hat eine Verringerung der : Geschwindigkeit und der Fokussierung des Strahls der Aerosolteil-chen zur Folge, so daß die Aerosoltintenteilchen das Papier nicht benetzen.

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 j ebenfalls beigefügten Patentansprüchen im einzelnen zu entnehmen.

j In den Zeichnungen zeigt

Fig"· 1 schematisch eine Querschnittsansicht eines

ί Tintenstrahldruckers gemäß der vorliegenden

', Erfindung;

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- 4 ί
; Fig. 2 scheruatisch die Krümmung der Stromlinien und

die Bahnen der Tintenteilchen an der öffnung j einer Düse zur Darstellung, wie sich bei der·"

neuen Tintenstrahldrucker eine Verengung der

Linien ergibt;

Fig. 3 den Geschwind!gkeitsvektor für ein Tintenteil

chen zur Bestimmung der Ablenkung des Teilchens aus seiner Stromlinie;

Fig. 4 schematisch einen Teil eines Aerosolstrahl--

druckers mit Schallerregung für die Turbulenzsteuerung des Strahlstroines,

Fig. 5 eine weitere Ausfuhrungsform eines Aerosolstrahl·

druckers mit einer weiteren Form einer Schallerregung für die Turbulenzsteuerung des Strahl stromes _f

Fig. 6 eine weitere Ausführungsform eines Aerosol

strahldruckers unter Verwendung einer Strönnmgsmittelsteuerung für die Turbulenzsteuerung des Strahlstromes und

Fig. 7 eine weitere Ausführungsform des Aerosolstrahl

druckers unter Verwendung eines elektrischen Feldes zur Stabilisierung des Aerosolstrahles.

In Fig. 1 ist ein Aerosolstrahldrucker gemäß der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Der Drucker weist eine Anzahl von Düsen 10 auf von denen eine in Fig. 1 im Querschnitt dargestellt ist. Die Düse 10 enthält eine Aerosolkammer 12, der die Mikronebeltintenteilchen in Aerosolform von einem Ultraschallzerstäuber 14 über ein Rohr 16 zugeführt werden. Das in der Kammer 12 befindliche Aerosol steht unter einem geringen Überdruck,

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der zwischen 0,21 und 7 6/ct¹ über Atmosphärendruck liegt. Die als Hikronebel existierenden Tintenteilchen treten aus der Düse 10 durch eine kleine Öffnung 18 in einem aus rostfreiem Stahl bestehenden Block 20 in einen Kanal 22 ein. Der Block 20 kann dabei aus gesintertem Stahl oder einem anderen porösen Material wie z.B. Glas bestehen. Der Durchmesser oder die lichte Weite des Kanals 22 kann in der Größenordnung bis zu etwa 1 mm liegen, der Quer-

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schnitt beträgt etwa 0,38 mm bzw. der Durchmesser des Kanals 0,38 mm. Der Kanal 22 erstreckt sich durch den Stahlblock 20 bis nach einer Auslaßöffnung 24, an der der Aerosolstrahl austritt. In der Figur ist der Aerosoltintenstrahl mit 26 bezeichnet und ist als fein fokussierter Tintenstrahl dargestellt, der sich axial erstreckt und innerhalb eines Luft- oder Gasstrahls mitgerissen wird, dessen Grenze mit 28 bezeichnet ist. Der Aerosoltintenstrahl 26 wird in dem Strahl 28 mitgerissen und so fokussiert, ' daß auf dem Druckträger 30 ein Abdruck in einem sehr schmalen i Bereich erfolgt, der wesentlich kleiner ist als der Gesamtdurch- :messer des Strahls und der Düsenöffnung.

j Der Ultraschallzerstäuber 14 kann von an sich bekannter Bauart sein wie er beispielsweise von der Firma DeVilbiss geliefert wird. Obgleich der DeVilbiss-Zerstäuber wirkungsvoll mikron- und ■submikron- vernebelte Tintenteilchen liefert, wie dies gemäß dem j Prinzip der vorliegenden Erfindung erforderlich ist, so können I jedoch auch andere Ultraschallzerstäuber in gleicher Weise wirk-J sam eingesetzt werden. Selbstverständlich können außer den Ultra-Ischallzerstäubern auch noch andere Zerstäuber verwendet werden, j Die dem Fachmann beispielsweise bekannten Babbington-Zerstäuber !liefern ebenfalls verstäubte Tintenteilchen, deren Größe im _Mikron·- und Submikronbereich liegt (beispielsweise 1 bis 25 ιMikron, vorzugsweise 2 bis 10 Mikron).

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Wie in Fig. 1 gezeigt, befindet sich der Zerstäuber in einem Gehäuse 32, dessen unterer Teil mit einem Flüssigkeitsbad 34 gefüllt ist. Falls eine Temperaturregelung gewünscht wird, wird das Flüssigkeitsbad 34, das beispielsweise ein Wasserbad sein

ikann, von der Tinte 36 durch eine Polymermembran 38 abgetrennt. Unterhalb des Wasserbades 34 ist ein piezoelektrischer Wandler 40 angeordnet. Die vom Wandler 40 kommende Ultraschallenergie wird mit der Tinte 36 über das Wasserbad 34 und die Polymermem-· ^!bran 38 gekoppelt. Tinte und Wasser lassen sich dann jeweils bei 42 bzw. 44 nachfüllen.

Der piezoelektrische Wandler 40 wird durch eine Wechselspannungs- ; quelle mit einer Frequenz in der Größenordnung von 1 MHz angesteuert. Mit einem Signal mit einer Frequenz von 1_f3 MHz lassen sich verstäubte Teilchen von Mikron-· oder Submikronabmessungen !herstellen. Die Ultraschallschwingungen des Wandlers 40, wenn ,sie über das Wasserbad 34 und die Membrane 38 angekoppelt werden, !erregen die Tintenlösung 36 mit so hoher Schwingungsenergie, daß !in der offenen Tintenkammer 48 ein Nebel aus Tintenteilchen mit

!Durchmessern im Mikron- und Submikronbereich erzeugt werden. Ein JTrägergas, wie z.B. N₂ oder Luft wird von einem Vorratsbehälter 54 über ein Rohr 50 in diesen offenen Raum eingeleitet. Das Trägergas reißt die verstäubte Tinte in Form eines Nebels aus dem offenen Raum der Tintenkammer 48 über eine Auslaßöffnung 52 heraus Der unter Druck stehende Vorratsbehälter 54 drückt damit das Aerosol mit dem zuvor erwähnten Druck in die Düsenkammer. Selbstverständlich können auch andere Trägergase eingesetzt werden. Außerdem bedarf es keiner besonderen Erwähnung, daß hier die verschiedensten Tinten 36 Verwendung finden könnten. Beispielsweise kann man auch an die Verwendung von magnetischen Tinten wie z.B. Ferroflüssigkeiten benutzen, wie Ferroflüssigkeiten auf Wasserbasis mit etwa 200 oder 400 Gauß.

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Das über das Rohr 50 zugeleitete Trägergas nimmt den Mikronebel der zerstäubten Tintenteilchen über die Auslaßöffnung 52 und das Auslaßrohr 16 in die Düsenkammer 12 mit, wo der Mikronebel von dem Strahl 28 mitgerissen wird, der mit hoher Geschwindigkeit den Kanal 22 durchströmt.

Wenn ein Strahl eines Aerosols, das Tintenteilchen in der Größe von einigen Mikron enthält, auf einem Papier auftrifft, dann wird eine Linie gedruckt, die typischerweise sehr viel schmäler ist als der Durchmesser der Bohrung der Düse, die den Strahl bildet. Trägheitskräfte sowohl in der Nähe der Düse selbst als auch in der Nähe des Auftreffpunkts sind für die scharf gezeichneten Linier verantwortlich. Das heißt, die geringe Breite der hier gedruckten Linien ist auf zwei Wirkungen zurückzuführen; einmal die Kontraktion des freien Strahls und die Trägheit der Tröpfchen. Die Kontraktion eines frei fliegenden Strahls ist eine gut bekannte Erscheinung. Für eine ideale Öffnung kann der Durchmesser des freien Strahls bei etwa 70 % des Durchmessers der Düse liegen. In der Praxis kann der tatsächliche Durchmesser des freien Strahls bei etwa 80 % des Durchmessers der Düsenbohrung liegen. Es wird hierbei angenommen, daß die weitere Einengung des Strahls dadurch !verursacht wird, daß die Tröpfchen den am Eingang der Düse gekrümmten Linien der Luftströmung nicht genau zu folgen vermögen. Wie dies noch im Zusammenhang mit Fig. 2 und 3 beschrieben werden soll,, hat die Trägheit der Tinten teilchen zur Folge, daß diese in Richtung auf die Mitte des Strahls beschleunigt v/erden.

■Jie man aus Fig. 2 erkennt, weist die Düsenwand 60 eine öffnung auf, durch die der Strahl austritt. Die Stromlinien des Strahls sind mit 62 bezeichnet, das Mikronebel-Tintenteilchen oder die Bahn eines Tröpfchens ist mit 64 bezeichnet und die Ablenkung der Bahn eines Tröpfchens von der Stromlinie 62 weg ist mit δ be-

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zeichnet während die durchschnittliche Geschwindigkeit der Strömung im Bereich der Stromlinienkrümmung mit ν bezeichnet ist.

Die Trägheitswirkung, die die Verencmng des Strahls oder das Mitreißen der Tintenteilchen in Richtung auf die Mitte des Aerosolstrahls und von den äußersten Stromlinien 62 weg zur Folge hat, geht teilweise auf das exponentielle Abklingen der Relativgeschwin· digkeit der Teilchen innerhalb des Luftstromes zurück. Dies läßt sich mit der Gleichung für den Stoke'sehen Strömungswiderstand

F_D = 3

18 u

berechnen, wobei τ die Abklingzeit für die Geschwindigkeit eines kugelförmigen Tintentröpfchens in Bezug auf die Stromlinie aus der obigen Gleichung ergibt.

D = Tröpfchendurchmesser
ρ = Tröpfchendichte
μ = Viskosität der Luft (oder eines anderen Trägergases)

Die Größe ies Abstandes oder Abweichens der Tintenteilchen von den Strömungslinien 62 hängt auch teilweise von der Krümmung der Stromlinie ab. Zur Berechnung von δ , d.h. der Abweichung eines Teilchens mit der Dichte ρ und dem Durchmesser D von der Strömungslinie 62 sei ein gekrümmter Strom 62 in Fig. 3 betrachtet. Es sei hier zunächst angenommen, daß die Flugzeit sehr viel größer ist als τ . Dann ist die Zentrifugalkraft angenähert gleich dem Stoke'sehen Strömungswiderstand senkrecht zur Stromlinie 62.

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θ = dem gesamten Krümmungsbogen der Stromlinien und

die durchschnittliche Strömungs« Bereich der Krümmung ist,- die ei gentialgeschwindigkeit ν ist,

ν = die durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit im. ^s Bereich der Krümmung ist, die etwa gleich der Tan-

.dann ist

ι τ ν

wobei ν. = die Geschwindigkeit in der Normalen ist. Integriert !man nun längs der Strömungslinie, dann erhält man die Kontrakjtion δ der Teilchenbahnen von der äußeren Strömungslinie 62 ι durch die Gleichung

Rd θ

⁴-K «* 1 "

^Vs

δ = τ θ v_s

!wobei t die Flugzeit eines Teilchens in dem Bereich einer gekrümmten Strömungslinie ist.

Diese oben genannte Formel ergibt eine annähernde Erläuterung der im Bereich der Düsenöffnung beobachteten Erscheinung der Verengung des Strahls und dient der Vereinfachung der Beschreibung, wobei

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darauf hinzuweisen ist.- daß die bei höheren. Geschwindigkeiten ;

auftretenden. Wirkungen hier nicht enthalten sind. '

D±-~ Ablenkung δ der Tinteatsilchen von der Stromlinie 62 in ver- , biiieamc" irdt der Kon traktier: gestattet eine sehr genaue Voraussage ' der liier beobachteten Stärken der -Tintenlinien. Typische Bezie- ■

huncen zwischen dem engen Durchmesser der Düse und der Breite einer mit dem Tintenstrahl aufgezeichneten Linie sind in der folgenden Tabelle A busammengefaßt.

TABELLE A

Düsendurchmesser Linienbreite

0,2 mm 0,051 mm

0,25 mm 0,05 - 0,076 mm

0,46 mm 0,10 - 0,127 mm

0,84 mm 0,41 - 0,51 mm

Diese oben wiedergegebenen Ergebnisse wurden mit einem Ultraschallzerstäuber 14 erreicht, der Teilchen mit einer Teilchen-,größe mit 3 Mikron Durchmesser lieferte. Wenn man Düsen verwenden kann, deren Durchmesser viel größer sind als die zu drucken-j den Linien, so ist dies ein wesentlicher Faktor bei der Verringeirung der Schwierigkeiten, die sich bei Tintenstrahldruckern durch

!Verstopfen der Düsen ergeben können. In einem Beispiel läßt sich die oben gegebene Formel für die Berechnung der Ablenkung δ der Tintenteilchen von der Stromlinie 62 wie folgt anwenden: Wenn der Durchmesser D der Tintenteilchen eines bei 1,2 MHz !betriebenen Zerstäubers bei 2,7 Mikron liegt oder Die Teilchen = 2,7 χ 10⁴ cm

und der Durchmesser der Düsenöffnung

'Die Düse = 0,098 cm ist,

Jdann läßt sich der Kontraktionskoeffizient, der aus dem Verhältnis der Fläche des freien Strahls am Ort der Vena contracta ι (dem schmälsten Abschnitt des frei fliegenden Strahls) zur Quer-

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schnittsfläche der Düsenbohrung berechnen durch

Kontraktionskoeffizient = Querschnittsfläche des freien Strahls

Querschnittsfläche der Düse
= 0,64

Durchmesser des freien Strahls = 0,078 cm.

Bei der Berechnung des Kontraktionskoeffizienten werden Messungen der Strömungsgeschwindigkeiten und des Druckabfalls zur Berechnung der Geschwindigkeit des frei liegenden Strahls und der effektiven Fläche des freien Strahls nach allgemein bekannten Prinzipien der Flüssigkeitsdynamik benutzt. Für Stromlinien in der
Nähe der äußeren Grenze des Strahls ist die durchschnittliche
Strahlgeschwindigkeit angenähert gleich der Strahlgeschwindig-

: keit an der Vena contracta. Wenn daher die Strömungsgeschwindigkeit gleich 3,2 cm /sek ist, dann ist

— _ 3,22 cm /sek = 660 cm/sek

s Fläche des freien Strahls

Die Zeitkonstante t ist

_{τ =} d!e _m jLx 1,00 g/cm³ _{= 23 χ 1Q}-6 _sek ¹⁰P 18 χ 1,76 χ 1O~* pois

wobei μ für Stickstoffgas bei Zimmertemperatur angenommen und die Flüssigkeit die Dichte von Wasser haben soll. Für die äußerste
Stromlinie ist der Krümmungswinkel θ = π/2, so daß die Ablenkung zu

"⁶

_ ω τ; - ^π (23 χ 1θ"⁶) χ 660 = 0,024 cm
- θτ v_s - J-

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- 12 Damit wird aber die Weite des Aerosolbereiches

^{W = D}Strahl ~ ^2δ ~ 0,078 ~ 2(0,024) = 0,030 cm

Es sei darauf verwiesen, daß die gemessene Weite unter den oben genannten Bedingungen bei 0,033 cm lag.

Mit der geeigneten Teilchengröße der Tinte_f Strahlgeschwindigkeit und Krümmung der Stromlinie an der Bohrung der Düse läßt sich eine Tintenlinie drucken, die wesentlich dünner ist als der Durchmesser der Düsenöffnung. Die Auswahl der Geschwindigkeit wird in der Weise vorgenommen, daß dabei die Geschwindigkeit nicht viel zu hoch wird, woraus sich ein übermäßiges Überschießen von Tintenteilchen über die Achse des Strahls hinaus ergibt wodurch die Klarzeichnung der Linien beeinträchtigt wird. Diese dichten,, gut definierten Linien lassen sich mit einem Aerosolstrahl bei Schreit geschwindigkeiten bis über 15 cm je Sekunde erzielen. Ein Druckj kopf mit 8 Düsen wurde zum Drucken von Zeichen in einer Punktmatrix von 5x8 Punkten mit Geschwindigkeiten von mehr als 50 Zeichen pro Sekunde benutzt. Der für die Erzeugung einer Strömungsgeschwindigkeit des Aerosols in der Größenordnung von 600 cm

2 je Sekunde erforderliche Druck der Kammer liegt bei 0,00028 kp/cm über Atmosphärendruck.

Es wird darauf verwiesen, daß sich diese Ergebnisse ohne elektrische Aufladung der Tintenteilchen oder die Verwendung von elektrischen oder magnetischen Einrichtungen auf oder in der Nähe des Druckträgers zum Erzielen einer Benetzung der Teilchen an der Oberfläche erzielen lassen. Obgleich der Kanal der Düse auch anders gestaltet werden könnte, so hat man doch festgestellt, daß man die gewünschten Drucklinien dadurch erzielen kann, daß die Teilchen eines Tintennebels in einem Aerosolstrahl mit den oben genannten Parametern mitgerissen werden. Es sei ferner darauf

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verwiesen, daß der Ausdruck "Mitreißen" oder "Mitnehmen" auch die Konzentration oder Fokussierung der dem Mikronebel entstammenden Tintenteilchen in der Nähe der Mitte oder der Achse des Strahls

j entsprechen soll. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß dann, wenn der Tintennebel in der Nähe der Achse des Aerosol-

j Strahls mitgerissen wird, eine laminare Strömung erzeugt wird, so daß der Druck von dem Abstand zwischen der Öffnung der Düse und dem Druckträger relativ unabhängig wird.

Wie bereits beschrieben, bewirken die Kontraktion des frei fliegenden Strahls und die Trägheit der nur wenige Mikron messenden Tintenteilchen die Erzeugung von dünnen, dichten,, wohl definierten Drucklinien. Die Kraft und die hohe Geschwindigkeit der gegen den Druckträger fliegenden Tintenteilchen reicht aus, eine Benetzung des Druckträgers durch übermäßiges starkes Aufschlagen j der Tintenteilchen auf dem Druckträger zu bewirken. Wenn man andererseits die Geschwindigkeit der Tintenteilchen herabsetzt ! oder die Tintenteilchen von dem Druckträger weg ablenkt, dann

! läßt sich der Aerosolstrahl steuern. In Fig. 1 ist eine Strömungsmittelsteuerung für die Steuerung des Aerosolstrahls gezeigt. Diese Strömungsmittelsteuerung weist eine Leitung 72 auf, die rait einer Leitung 70 verbunden ist, die mit dem Kanal 22 der Düse in Verbindung steht. Die Leitung 72 ist mit einer Vakuumquelle 74 und außerdem über ein Ventil 76 mit einer Druckluftquell|e

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78 verbunden, deren Druck zwischen 0,07 kp/cm und 0,35 kp/cm über Atmosphärendruck liegt. Wenn im Betrieb das Ventil 76 geöffnet ist, dann wirkt die Druckluftquelle 78 der Wirkung der Vakuumquelle 74 in der Weise entgegen, daß der Aerosolstrahl 26 nicht abgelenkt oder aus seiner Axialbahn durch den Kanal 22 ausgelenkt wird. Wenn jedoch nicht gedruckt werden soll, dann wird das Ventil 76 geschlossen und die Vakuumquelle 74 erzeugt einen Ablenkstrahl in der Leitung 70, der den Aerosolstrahl 26 aus seiner Axialströmung und nach unten durch die Leitung 70 ablenkt. Eine Rücklaufleitung 80 ist an der Vakuumleitung an

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der Vakuumquelle angeschlossen, so daß die abgelenkte Tinte rückgeführt und erneut verwendet v/erden kann. Das Ventil kann ein Magnetventil oder irgendeine andere geeignete Steuervorrichtung sein. Ferner kann der Kanal 22 über ein Rohr 82 mit einem Vorratsbehälter 84 für saubere Luft in Verbindung stehen, die nicht unter Druck steht. Der Vorratsbehälter 84 für saubere Luft ist über eine Kammer 86 an der Leitung 82 angeschlossen und die Kammer 86 trägt ein nach der Atmosphäre führendes Belüftungsrohr.

Die aus porösem rostfreiem Stahl bestehende zylindrische Düse mit dem Kanal 22 kann aus gesintertem Material bestehen, so daß Mikronebelteilchen, die sich auf den Seitenwänden des Kanals 22 niederschlagen sollten, durch den Stahlblock 20 abgesaugt werden können. Zu diesem Zweck ist rund um den Stahlblock 20 zum Absaugen den Tintenteilchen aus dem Kanal eine Vakuumkammer vorgesehen, die dadurch ein Verstopfen des porösem,- rostfreien Stahls der Düse verhindern wird. Die Vakuumkammer 90 ist über eine Leitung 92 an der Vakuumquelle 74 angeschlossen.

Ferner kann eine durch eine Linie 94 angedeutete, schützende Luftströmung vorgesehen sein, die den Luftstrom 28 am Ausgang der Düse umgibt. Die Luftströmung 94 wird durch einen Vorratsbehälter 96 über Leitungen nach einer Kammer 98 für eine Schutzgasströmung zugeführt, die um die Fläche der öffnung 24 der Düse herum gebildet ist. Diese Kammer 98 ist durch eine Wand 100 verschlossen, die eine mit der öffnung 24 konzentrische öffnung mit größerem Durchmessers aufweist, so daß eine Schutzgasströmung 94 austreten kann, die den Aerosolstrahl und den Tintenstrahl umgibt. Es kann ferner ein allen Düsenöffnungen gemeinsamer Schlitz mit einer Anzahl von Düsenöffnungen zusammen verwendet werden. Der Luftvorratsbehälter 96 liefert eine Strömung reiner Luft von sehr geringer Geschwindigkeit in die äußeren Bereiche der Strömung 28, so daß in der Nachbarschaft der öffnung 24 der Düse eine Atmosphäre reiner Luft aufrecht erhalten wird.

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In den Fign. 4 und 5 sind schematisch Teile von Tintenstrahldruckern unter Verwendung eines Mikronebels gemäß der Erfindung mit einer Turbulenzsteuerung für die Modulation des Aerosolstrahls gezeigt. Es wurde gefunden, daß die Turbulenz des Aerosolstrahls eine Vermischung mit der umgebenden Luft zur Folge hat, woraus sich eine Verringerung der Geschwindigkeit der Teilchen im Aerosolstrahl in der Weise ergibt, daß die Tintenteilchen das Papier nicht benetzen. Das heißt also, daß die einem Mikronebel entstammenden Tintenteilchen einen Druckträger nur dann benetzen werden, wenn die Teilchen mit einer Mindestgeschwindigkeit in Richtung auf den Druckträger fliegen. Die Geschwindigkeit des Strahls aus Aerosolteilchen im nicht-turbulenten Zustand reicht für die Benetzung des Papiers aus. Wenn jedoch in dem Aerosolstrahl eine Turbulenz eingeführt wird,- dann wird die Geschwindigkeit der Aerosolteilchen so weit gestört _r daß eine Benetzung nicht mehr eintritt. In Fig. 4 ist eine Aerosoldüse 110 gezeigt, die der Düse 10 in Fig. 1 entspricht. An der Vorderwand der Düse ist ein piezoelektrischer Wandler 112 in der Nachbarschaft des Düsenkanals 114 angeordnet. Der piezoelektrische Xiandler 112 führt in den Aerosolstrahl an der Düse 114 Schwingungen ein, so daß ein turbulenter Strahl 116 erzeugt wird. Die Aerosolteilchen in dem turbulenten Strahl 116 werden unter den vom Wandler 112 eingeführten Bedingungen das Papier 118 nicht benetzen. Ist der Wandler 112 nicht betätigt, dann ergibt sich eine laminare Strahlströmung 120 und der gewünschte Druckvorgang findet statt.

In Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform zur Erzeugung von Turbulenz in einem Aerosolstrahl zur Steuerung des Druckvorgangs dargestellt. Ein Schallwandler 120 ist im wesentlichen axial in bezug auf die öffnung 122 einer Düse 124 angeordnet. Wenn der Wandler 120 betätigt wird, dann wird ein turbulenter · Strahl 126 erzeugt, so daß die Teilchen das Papier 128 nicht benetzen. Ist der Wandler 120 nicht eingeschaltet, dann wird ein laminarer Strahl 130 erzielt. Die Fig. 4 und 5 zeigen also zwei

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Möglichkeiten, wie eine Turbulenz durch Schall dadurch erzeugt wird, daß man die Energie eines piezoelektrischen oder elektromagnetischen Wandlers direkt oder indirekt in den Aerosolstrahl einkoppelt. Mit den in den Fign. 4 und 5 dargestellten Anordnungen lassen sich Modulationsfrequenzen von mindestens 1 KHz erzeugen.

Die bisher beschriebenen Ausführungsformen können für einen Drukker mit einer Anzahl paralleler Tintenstrahlkanäle eingesetzt werden, wobei jedoch darauf hingewiesen werden soll, daß auch mehrere Düsenkanäle so ausgesichtet werden können, daß die entsprechenden Tintenstrahlen nicht parallel verlaufen und in Richtung auf einen Punkt fokussiert sind, so daß die zu druckenden Linien näher aneinander rücken.

In Fig. 6 ist eine weitere Ausführungsform eines Tintenstrahldruckers dargestellt, bei dem ein Stroraungsmittelverstärker 150 zur Erzeugung einer Turbulenz mit der Düse 152 verbunden ist, oder einen Teil dieser Düse bildet. Die Düse 152 enthält eine Aerosolkammer 154, die die einem Mikronebel entstammenden Tintenteilchen als Aerosolstrahl 156 durch den Kanal 158 der Düse, wie diese im Zusammenhang mit den Fign. 1 bis 3 beschrieben wurden, abgibt. Der Stromungsmittelverstarker 150 beseht aus einem porösem Körper 160, beispielsweise aus gesintertem rostfreiem Stahl mit einer Strömungsmittelkammer 162, die axial um die Bahn des Tintenstrahls 156 herum angeordnet ist. Der Einlaßkanal 164 im porösem Körper 160 ist über ein Ventil 166 mit einem Druckluftvorrat 168 verbunden. Am anderen Ende der Strömungsmittelkammer 162 ist ein Umlenkkanal 170 vorgesehen, der mit einer Vakuumquelle 172 verbunden ist. Der axial angeordnete Auslaßkanal 174 läßt den laminaren Strahl 156 in Richtung auf den Druckträger 176 durch. Eine Schutzströmung 178 ist auf die Vorderseite des porösen Körpers 160 gerichtet und verläuft innerhalb der Wand

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180 einer Schutzgaskarataer, wie dies im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben wurde. Wenn nicht gedruckt werden soll, wird das Ventil geöffnet und es fließt ein Luftstrom 182 in die Strömungsmittelkammer 162. Der Luftstrom 182 erzeugt einen turbulenten Strahl 184, der den Aerosolstrahl 156 in der Weise moduliert, daß praktisch kein laminarer Strahl durch den axialen Auslaßkanal 174 hindurchtritt. Die Vakuumquelle 172 lenkt die abgelenkten Tintenteilchen für eine erneute Verwendung in dem System über die Leitung 170 ab. Falls gedruckt werden soll, wird das Ventil 166 geschlossen.

In Fig. 7 ist eine weitere Ausführungsform des Tintenstrahldruckers gemäß der Erfindung gezeigt, bei welcher die Stabilität des aus einem Mikronebel abgeleiteten Tintenstrahls über ein elektrisches Feld gesteuert wird. Insbesondere wird über einen Steuerschalter 190 an das elektrisch leitende vordere Ende 192 einer j Druckdüse eine Spannung V angelegt. Eine elektrisch leitende ;Feldplatte 194 ist in einem gewissen Abstand von der Düsenöffjnung 196 angeordnet und enthält eine kleine Bohrung 198, durch die j der Strahl 200 hindurchtritt. Die Feldplatte 194 ist elektrisch geerdet. Wenn der Steuerschalter 190 geschlossen ist, dann liegt am vorderen Ende 192 der Düse eine Spannung von +V und es besteht ein elektrisches Feld zwischen der Feldplatte 194 und dem vorderen Ende 192 der Düse. Wenn der Strahl durch die kleinere Bohrung in der Feldplatte 194 hindurch gerichtet ist, läßt sich durch Anlegen einer Vorspannung zwischen der Feldplatte und Düse eine Verbesserung der Stabilität des Strahls erzielen. Eine solche Verbesserung der Stabilität gestattet ein Benetzen des Druckträgers 202 aus größeren Abständen von der Düse her und kann damit auch für eine Steuerung des Druckvorgangs eingesetzt werden.

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Claims

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PATENTA N SPRÜCHE

Tintenstrahldrucker mit einer Düse zur Erzeugung eines auf einem Druckträger gerichteten Tintenstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß eine Aerosolkammer (12) mit einer Auslaßöffnung (18) von etwa 1 mm vorgesehen ist/ an welcher eine Zerstäubervorrichtung (14) zur Erzeugung eines Tintennebels mit einer Teilchengröße von 1 -25 um über eine Leitung (16) angeschlossen ist/ daß eine Druckgasquelle (54) mit der Zerstäubervorrichtung zur Bildung eines Aerosols, Tintenstrahls verbunden ist, und daß die dem Mikronebel entstammenden Tintenteilchen durch ihre Teilchengröße und die Strömungsgeschwindigkeit des Aerosolstrahls zu einem Tintenstrahl um die Düse des Strahls 26 fokussiert werden, dessen Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser der Düse.
2. Tintenstrahldrucker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasdruck in der Aerosolkammer zwischen 0,21 und 7 δ/cm über Atmosphärendruck liegt.
3. Tintenstrahldrucker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßöffnung (18) kreisförmigen Querschnitt aufweist.
4. Tintenstrahldrucker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßöffnung (18) quadratischen Querschnitt aufweist.

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5. Tintenstrahldrucker nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet/ daß die Auslaßöffnung (18) in einem einen Block (2O) durchsetzenden, langgestreckten Kanal (22) übergeht.
6. Tintenstrahldrucker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Block (20) aus porösem gesintertem Stahl besteht, und daß in den Block eindringende Tintenteilchen durch Absaugen mit Vakuum einer erneuten Verwendung zuführbar sind.
7. Tintenstrahldrucker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die lichte Weite des Kanals (22) etwa 0,38 mm beträgt.
8. Tintenstrahldrucker nach Anspruch 1 _f dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Aerosol-Tintenstrahles im allgemeinen etwa umgekehrt proportional zur Größe der Tintenteilchen ist.
9. Tintenstrahldrucker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Fokussierung des Tintenstrahls auf seine Mittelachse die Abweichung 6 der Bahn der Tintenteilchen von der Strömungsbahn des Aerosolstrahls der folgenden Beziehung

δ = τθ ν
s

gehorcht, wobei τ « ?_£ ^und

ι öu

θ = die Gesamtkrtimmung der Stromlinie an der Auslaßöffnung

(18) von der Aerosolkammer (12) nach der Düse (22) V = die durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit im Bereich der gekrümmten Stromlinien

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θ = die Äbklingzeit für die Geschwindigkeitsabnahrae eines Kugeltröpfchens in Bezug auf die Stromlinie gemäß obiger Gleichung ist mit
D= Durchmesser des Tröpfchens
P= Dichte des Tröpfchens und
p= Viskosität des Trägergases (z.B. Luft)
10. Tintenstrahldrucker nach Anspruch 1 _f dadurch gel-iennzeichnet, daß der den Block (20) durchströmende Aerosol-Tintenstrahl durch selektives Anlegen eines Vakuums aus seiner Bahn heraus ablenkbar ist.
11. Tintenstrahldrucker nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der den Block (20) durchströmende Aerosol· Tinten strahl durch selektives Einführen einer eine turbulente Strömung hervorrufenden Störung defokussierbar ist.

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