DE2621336A1

DE2621336A1 - Tintenstrahldruckkopf

Info

Publication number: DE2621336A1
Application number: DE19762621336
Authority: DE
Inventors: Chen-Hsiung Lee
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1975-05-30
Filing date: 1976-05-14
Publication date: 1976-12-09
Also published as: FR2312377A1; US4065774A; JPS51147214A; FR2312377B1; IT1064193B; BR7603482A; JPS555430B2; GB1536454A; CA1068325A; DE2621336C2

Description

Aktenzeichen der Anmelderin: SA 974 058

Tintenstrahldruckkopf

Die Erfindung betrifft eine im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebene Art eines Tintenstrahldruckkopfes.

Die Erzeugung eines Stromes gleich großer Tintentropfen ist für Tintenstrahldrucker seit jeher ein Hauptanliegen. Gleich große Tropfen werden gleich geladen und abgelenkt und bilden gleichgeformte Punkte nach dem Aufschlag auf dem zu bedruckenden Papier, Tintenstrahldrucken ist ausführbar mittels einer einzigen oder einer Vielzahl von Düsen, Ein Beispiel für einen vieldüsigen Tintenstrahldrucker ist in der USA-Patentschrift 3 376 437 beschrieben. Bei demselben sind die Düsen entlang einer geraden Linie angeordnet und das zu bedruckende Papier wird in einer Richtung transportiert, die rechtwinklig zur genannten Linie verläuft, während binär codierte Videosignale geliefert werden für das wahlweise Entfernen von Tropfen aus dem Tintentropfenstrom. Zwei getrennte und alternative Mittel für die Erzeugung von Tropfen sind beschrieben. Eines derselben sieht einen magnetostriktiven Treiber vor, um die gesamte Verteilerkammer einschließlich der Düsen in Vibration zu versetzen. Dadurch entsteht eine Geschwindigkeitsmodulation des Tintenstromes. Die anderen Mittel

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sehen für die Verteilerkammer eine flexible Wand vor, die mit dem Treiber verbunden ist, während die Verteilerkammer fest angeordnet ist, um den Druck der Tinte zu modulieren.

Die Tinte wird von den Düsen als kontinuierlicher Strom ausgestoßen und die Störungen verursachen im Strom Verdickungen, die anwachsen, bis der kontinuierliche Strom in gleich große Tröpfchen zerfällt.

Das Hauptproblem der Druckmodulation für einen vieldüsigen Tintenstrahldrucker mit einer gemeinsamen Verteilerkammer ist darin zu sehen, daß die letztere, in der die Druckmodulation erfolgt, nicht zu klein sein darf, daroit die Tintenstrahlauflösungen der einzelnen Düsen nicht voneinander abweichen. Daher nimmt auch bei Verwendung einer größeren Verteilerkammer das zu verdrängende Volumen zu, um eine geeignete Druckmodulation zu erzielen. Somit wird die Druckmodulation weniger wirksam.

Andererseits erfordert die Geschwindigkeitsmodulation keine größere Verdrängung für vieldüsige Drucker als bei einem eindüsigen Drucker, Jedoch" ist die zu vibrierende Masse vergrößert, wodurch die Leistungsfähigkeit gemindert ist. Außerdem können bei Verwendung einer flachen Düsenplatte Resonanzen entstehen. Es wird somit schwierig, bei einer einzigen Düsenreihe die Störungen in einer Ebene und bei gleicher Phase zu erhalten. Dadurch kann das Tropfenabreißen zu verschiedenen Seiten und bei verschiedenen Entfernungen vom zu bedruckenden Papier innerhalb der verschiedenen Tintenströme der Düsenreihe erfolgen. Somit treffen bei einer Bewegung des Papieres senkrecht zur Düsenreihe (wie z,B. USA-Patent 3 376 437) nicht alle Tropfen auf dem Papier zur gleichen Zeit auf, um eine gerade Linie zu erzeugen. Es entsteht somit eine schräge Linie. Deshalb muß der Aufbau eine ausreichende Stärke und Masse aufweisen, um schädliche Resonanzen zu vermeiden, wodurch die Leistungsfähigkeit des Tropfenerzeugers gemindert ist.

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In der USA-Patentschrift 3 334 351 ist die Verwendung von zwei j separaten Wandlern bei unterschiedlichen Winkeln beschrieben, i die einer einzigen Düse doppelte Bewegungen verleihen. Die doppelt«! Anordnung ist erwiesen untauglich, da diese Anordnung bei Anwendung an einem vieldüsigen Tintenstrahlkopf eine komplexe Bewegung ergibt, die das Abreißen der Tropfen bei gleicher Entfernung vom Papier innerhalb sämtlicher Tintenströme extrem schwierig macht.

Durch die USA-Patentschrift 3 739 393 ist es bekannt, das eine Ende einer Düsenplatte in Schwingungen zu versetzen, die sich als Biegewellen zum anderen Ende derselben fortpflanzen, wobei dieses Ende gedämpft ist und wodurch eine Geschwindigkeitsmodulation der Düsen verursacht wird. Hierfür sind jedoch eine sorgfältige Ausführung und enge Herstellungstoleranzen erforderlich_f um mit der gewünschten Frequenz arbeiten zu können. Außerdem ruft die Modulation eine Phasenverzögerung zwischen den Düsen hervor, jso daß die einzelnen Tropfen nicht gleichzeitig vom zugeordneten Strom abreißen.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Tintenstrahldruckkopf zu schaffen, der mit nur einem einziger Wandler Strahlstörungen hervorrufen kann, die eine Wirkungsweise mit hohem Wirkungsgrad ergeben. Ein nach der Erfindung aufgebauter Tintenstrahldrucker weist den Vorteil auf, daß ein dicker Kristall verwendet werden kann und daß die Störung unempfindlich ist gegenüber Veränderungen innerhalb der Montage, wodurch größere Toleranzen erlaubt sind.

Weitere Merkmale der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmejn.

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

Es zeigen:

Fig. 1 . einen Tintenstrahldruckkopf in auseinandergezo-

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gener, schaubildlicher Darstellung,

Fig. 2 eine Rückansicht der Kammerplatte von Fig. 1, Fig. 2A einen Schnitt durch die Kammerplatte der Fig. 2,

Fig. 3 die Grundplatte der Fig. 1 in schaubildlicher

Darstellung,

Fig. 4 ein Schema eines Tintenstrahldruckkopfes nach

Fig. 1 und

Fig. 5 eine andere Ausführungsform der in Fig. 1

gezeigten Kammer und Düsenplatten in schaubildlicher Darstellung,

Bei dem Tintenstrahldruckkopf nach Fig. 1 werden die Tinten- ^; ströme in gleiche Tropfen aufgelöst. Sollte die Tinte eine j elektrostatische sein, sind die Tropfen nach ihrem Abreißen j wahlweise aufzuladen, wodurch sie anschließend in eine Auffangblende abgeleitet werden, während die ungeladenen Tropfen weiter gegen das zu bedruckende Papier fliegen und dort Aufschlagen, Besondere Ladeplatten, Ablenkplatten und Auffangblenden sind in der deutschen Patentanmeldung P 26 02 004,2 beschrieben. Alternativ kann die Tinte auch eine magnetische Tinte darstellen, wodurch die einzelnen Tröpfchen wahlweise durch magnetische Felder abgelenkt werden. Es ist bekannt, daß Flüssigkeitsströme, die aus einer Düse ausgestoßen werden, versuchen, unstabil zu werden und in verschieden geformte Tröpfchen zerfallen. Eine praktische Verwendbarkeit der Tropfen zum Drucken erfordert, daß die Tintenströme in gleich große Tropfen zerfallen* Deshalb wurden beträchtliche Anstrengungen unternommen, hinsichtlich der Störungen von Flüssigkeitsströmen in einer wiederholbaren gleichen Weise, um das Abreißen gleich großer Tropfen von Tintenströmen zu erzielen. Die Vorrichtung nach Fig,1

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führt eine doppelte Methode aus oder eine Mischung aus Geschwindigkeits- und Druckmodulation der Flüssigkeit und der Flüssigjkeitsströme, um Tintenströme aus gleichgeformten Tropfen zu !erzeugen. Der Tintenstrahldruckkopf enthält die Kammerplatte 10, ;die Düsenplatte 11, den Ring 12, den piezoelektrischen Kristall-.treiber 13 und die Deckplatte 14,

!Die Kammerplatte 10 (Fign, 1, 2 und 2A) besitzt die Kammer 20, die nur gering von der Stirnfläche 21 entfernt ist und so die Wand 24 bildet. Zwei parallele Schlitze 22, 23 sind in die Wand 24 eingeschnitten. Die zweite, größere Kammer 25 ist für die Aufnahme des piezoelektrischen Kristalltreibers 13 vorgesehen. In die Stirnfläche 27 der Kammer 26 ist die Ringnut 26 eingeschnitten, um den Ring 12 aufnehmen zu können, der als Dichtung zwischen der Kammerplatte 10 und dem piezoelektrischen Kristalltreiber 13 dient. Die Stirnfläche 27 der Kammer 25 berührt den piezoelektrischen Kristalltreiber 13 und überträgt [die Schwingungen zur Düsenplatte 11,wie weiter unten beschrieben j ist, Der Tinteneinlaß 30 ist über die Leitungen 31, 32 mit der !Kammer 20 verbunden. Die Leitung 32 stellt eine Bohrung innerhalb der Kammerplatte 10 dar, deren über die Leitung 31 sich erstreckende Teil mittels des Stöpsels 35 verschlossen ist, Schließlich ist die Kammerplatte 10 mit einer Anzahl von Gewindelöchern 39 ausgerüstet, um ein Verschrauben mit der Deckplatte 14 zu erlauben«

Die Düsenplatte 11 (Fig, 1) besteht aus einem dünnen Material und weist zwei Düsenreihen 40, 41 auf. Die Düsenplatte 11 ist auf !verschiedene Weise herstellbar, beispielsweise kann aus einem planaren Einkristallmaterial mit einer anorganischen Membran bestehen, wie beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung P 25 54 085.6 beschrieben ist. Ein anderes Beispiel für die Bildung von rechteckigen Düsenöffnungen, wie in der deutschen Patentnameldung P 25 55 256,1 gelehrt, stellt die deutsche Patentanmeldung P 26 02 263,9 dar. Die Düsenplatte 11 ist auf den Boden der Kammer 20 derart zementiert, daß die Düsenreihen 40, 41 mit

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[den zugeordneten Schlitzen 22, 23 ausgerichtet sind.

Die Deckplatte 14 besitzt die Kammer 50, an deren Stirnseite 51 der piezoelektrische Kristalltreiber 13 abgedichtet anliegt. Die kleinere Kammer 52 und der Schlitz 53 sind vorgesehen, um dem mit der Rückseite des piezoelektrischen Kristalltreibers verbunden£n I Draht 55 genügend Spiel zu verschaffen. Der kleine Schlitz 56 I erlaubt dem Draht 55 ein Austreten aus der Deckplatte 14, um j mit einer Treiberschaltung verbunden werden zu können. Der, wie j eben beschrieben, eingesetzte piezoelektrische Kristalltreiber j ist somit zwischen der Stirnseite 51 der Deckplatte 14 und dem in der Ringnut 26 der Kammerplatte 10 eingelegten Ring 12 eingeklemmt, und zwar unter leichtem Druck, Die Kammer 20 besteht aus einem elektrisch leitendem Material_f so daß die Kammer eine elektrisch geerdete Oberfläche bildet, die elektrisch leitende Tinte berührt, Die Tinte berührt außerdem die Stirnseite des _{ piezoelektrischen Kristalltreibers 13, so daß die Tinte und I die Kammerplatte 10 eine geerdete Verbindung darstellen. Eine ;dem Draht 55 zugeführte elektrische Spannung ruft somit ein ι Potential zwischen den Rückfläche des piezoelektrischen Kristalltreibers 13 und der geerdeten Stirnfläche auf _r wodurch der piezolelektrische Kristalltreiber erregt wird, Ferner enthält die Deck-I platte 14 eine Anzahl von Ansatzlöchern 58_f die mit den Gewinde- !löchern 3a in der Kammerplatte 10 ausgerichtet sind« Diese Löcher j gestatten Schrauben 59 ein Zusammenklemmen der Kammerplatte 10 I und der Deckplatte 14,

iDie Flüssigkeitsquelle 60 CFig, 4) ist mit dem Tinteneinlaß 30 !der Kammerplatte 10 verbunden und versorgt so die Kammer 20 mit Tinte bei einem gewünschten Druck. Der Druck ist so bemessen, daß aus den Düsen der Düsenplatte 11 Tintenstrahlen 61 ausgestoßen werden. Die Störungsspannungsquelle 65 ist über den Draht 55 mit dem piezoelektrischen Kristalltreiber 13 verbunden. Die Vorder-Iseite des peiezoelektrischen Kristalltreibers 13 steht mit der

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elektrisch leitenden, in der Kammer 20 befindlichen Tinte in Berührung, die ihrerseits die Kairaneroberflache innerhalb der Kammerplatte 10 berührt, die mit Erde 66 verbunden ist. Die Störungsspannung kann beispielsweise eine Sinuswelle von 100 kHz darstellen.

Das Anlegen der Störungsspannung an den piezoelektrischen Kristall treiber verursacht ein Ausdehnen und Zusammenziehen desselben zwischen den Flächen 70 und 71, Die hieraus resultierende Schwingung wird durch das Eingeklemmtsein des piezoelektrischen Kristall treibers zwischen der Stirnseite 51 der Deckplatte und dem Ring 12 innerhalb der Nut 26 der Kammerplatte 10 durch die Deckplatte 14 über die Schrauben 59 auf die Kammerplatte 10 und deren Wand 24 übertragen» Schwingungen werden auch durch den zusammengedrückten Ring 12 über die Kammerplatte 10 auf die Wand 24 übertragen. Bei einem in dieser Weise erfolgten Schwingen versucht die Wand 24 mit der Antriebsfrequenz der Störungsspannungsquelle 65 in zu den Tintenstrahlen 61 axialer Richtung zu schwingen. Die Düsenplatte 11 ist auf die Wand 24 zementiert_r die sich ähnlich in oszillierender Weise biegt und hierbei eine Geschwindigkeitsmodulation der Tintenstrahlen 61 in axialer Richtung erzeugt. Zur gleichen Zeit bleibt der Rest der Flächen 70 und 71 des piezoelektrischen Treibers uneingeklemmt, so daß der Kristall sich frei ausdehnen und zusammenziehen kann. Die Fläche 71 des Treibers ist mit der unter Druck stehenden Tinte in Berührung und bildet so die Rückwand der Kammer 20. Das Ausdehnen und Zusammenziehen des Kristalls erfolgt in der Fläche 71, wodurch ein Zusammenziehen und ein sich Ausdehnen des Volumens der Kammer 20 verursacht wird und hierdurch eine Drucketörung auf die innerhalb der Kammer sich befindliche Tinte übertragen wird.

Die Schwingungs- und Druckwellen-tlbertragungsgeschwindigkeiten sind so hoch-, daß innerhalb der kleinen Dimensionen des Druckkopfes die Geschwingkeitsmodulation der Tintenstrahlen 61 sich in unterstützender Phase zur Druckmodulation der Tinte innerhalb

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der Kammer 20 befindet bei ihrem Austritt aus den Düsen der Düsenplatte 11. Die kombinierte Modulation der Tinte ergibt somit einen sehr wirkungsvollen Gebrauch des piezoelektrischen Treibers derart, daß in der gezeigten Anordnung eine geeignete Modulation auftritt mit der Spitze-zu-Spitzenspannung der StörungsSpannungsquelle 65 von ungefähr 5,5 Volt.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind folgende Dimensionen ; angewendet. Die Auswahl des piezoelektrischen Treibers hängt von der Tropfenbildungsgeschwingkeit und der Kammergröße ab. Typische Ausmaße einer piezoelektrischen Scheibe sind 25,4 mm Durchmesser bei einer Dicke von 12,75 mm, die eine Kammer abdeckt von einem Durchmesser von 19 mm und einer Tiefe von 6,4 mm. Die Dicke der Vorderwand der Kammerplatte kann 0,5 bis 0,75 mm betragen. Der Ring 12 und die Ringnut 26 sind so dimensioniert, um den Ring um 0,05 bis 0,07 mm zusammendrücken können. Die Düsenöffnungen können beispielsweise einen Durchmesser von 0,02 mm bei einem Teilungsabstand von 0,3 mm und einem Abstand der beiden Düsenreihen von 2 mm aufweisen. \

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Die gemischte Geschwingkeits- und Druckmodulation der Tintenstrome ist nicht auf die Verwendung von piezoelektrischen Kristalltreibern !beschränkt, sondern ist auch verwendbar mit anderen Arten von ' Treibern, beispielsweise magnetostriktiven Treibern. Ein wichti- | ger Geschichtspunkt der Erfindung ist, daß die Treiber so montiert sind, um Schwingungen der Düsenplatte 11 zu erzeugen, beispielsweise durch Übertragung über feste Körper, wie die Deckplatte 14, Schrauben 59 und die Kammerplatte 10, und auch

das Vorsehen einer Druckmodulation der Tinte durch Volumensverländerung der Kammer 20.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

·' 1 .j Tintenstrahldruckkopf mit einer mindestens eine Düse auf weisenden, an eine Tintendruckquelle angeschlossenen Kammer und mit einem an eine Signalquelle angeschlossenen Wandler, dadurch gekennzeichnet, daß durch entsprechende Anordnung des Wandlers (13) und Ausbildung der Kammer (20) sowohl das Volumen der Kammer (20) als auch in axialer Richtung der Düse (in 11) gesehen die Lage der Düse veränderbar sind zur Störung des Tintendruckes und der Geschwindigkeit des aus der Düse austretenden Tintenstromes,
2. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 1 _f dadurch gekennzeichnet! daß als Wandler ein elektromechanischer Wandler ti3) vorgesehen ist»
3. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die entsprechende Ausbildung der Kammer (13) an einer Seite eine sehr dünne Wand (24) vorsieht, mit der eine Düsenplatte (11) fest verbunden ist,
4. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektromechanische Wandler (13) als dicke Scheibe ausgebildet innerhalb der Kammer (20) eingeklemmt ist und der größte Teil einer (71) seiner beiden Stirnflächen (70, 71) mit der Tinte in Berührung steht.
5. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Platte (10), die eine zylinderförmige, einmal abgesetzte Sacköffnung (20, 25) aufweist, deren dünne Stirnwand (24) die Düsenplatte (11) trägt, mit einer Deckplatte (14) verschraubt ist, die eine kongruente zugewandte fluchtende zylinderförmige Sacköffnung (50) trägt und daß zwischen der durch die Absetzung gebildeten Ringfläche (27) der erstgenannten Sacköffnung (20, 25) und der an zweiter Stelle genannten

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Sacköffnung (50) der scheibenförmige Wandler (13) eingeklemmt ist,
6. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet/ daß als Wandler ein piezoelektrischer Kristallwandler (13) vorgesehen ist.

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