DE2700010A1

DE2700010A1 - Geraet zur erzeugung von abtrennbaren fluessigkeitstroepfchen und antriebselemente dafuer

Info

Publication number: DE2700010A1
Application number: DE19772700010
Authority: DE
Inventors: Kenneth H Fischbeck; Richard H Vernon
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1976-01-15
Filing date: 1977-01-03
Publication date: 1977-07-21
Also published as: SE427778B; FR2338089B1; JPS5288026A; GB1569425A; FR2338089A1; NL7700187A; SE7700165L; JPS6026713B2

Description

Xerox Corporation, Rochester, N.Y./USA

Gerät zur Erzeugung von abtrennbaren Flüssigkeitströpfchen

und Antriebselemente dafür

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Flüssigkeitstropfen.

Bei Tintendüsenanordnungen, in denen Tintentropfen aus einer Kammer durch selektives Erhöhen des Druckes darin ausgedrückt werden, kann die Einrichtung zur Erhöhung des Druckes in der Kammer ein piezoelektrisches oder magnetostriktives Betätigungselement sein. Die Betätigungselemente sind normalerweise dauernd an der Düsenanordnung befestigt, und jedesmal, wenn eine Anordnung erneuert werden soll, sind neue Betätigungselemente erforderlich. Die Betätigungselemente verursachen einen wesentlichen Anteil der Gesamtkosten der Anordnung. Wenn also die Betätigungselemente wiederverwendbar sind und bei Austauschanordnungen verwendet werden können, so können beträchtliche Kosteneinsparungen erreicht werden.

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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Erzeugung von Flüssigkeitstropfen bzw. eine Tintendüseneinheit zu schaffen, bei der magnetische oder piezoelektrische Einrichtungen lösbar an einem Flüssigkeitstropfen-Ausdrückinstrument befestigt sind, so daß das Instrument durch ein neues ersetzt werden kann, während die magnetischen oder piezoelektrischen Antriebselemente weiterverwendet werden können. Dadurch soll ein einfach aufgebautes Flüssigkeitstropfen-Ausdrückelement geschaffen werden, das lösbar an einer magnetischen oder piezoelektrischen Antriebseinrichtung befestigt ist. Dabei soll die Einheit besonders für die Anwendung als Tintendüse geeignet sein.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Erzeugung von Flüssigkeitstropfen gelöst, die gemäß der Erfindung gekennzeichnet ist durch ein Gehäuse mit einer Mehzahl von darin gebildeten Druckkammern, wobei die Druckkammern sich zu einer äußeren Oberfläche des Gehäuses hin öffnen, eine elastische Membraneinrichtung, die jede Kammeröffnung abdichtet, wodurch eine Außenwandung jeweil einer Kammer gebildet wird, eine lösbar an dem Gehäuse befestigte Antriebseinheit, die ein Trägerelement umfaßt, eine Mehrzahl von spannungserzeugenden, verformbaren Elementen, die wirkungsmäßig an dem Trägerelement befestigt sind, eine elastische Einrichtung, die wirkungsmäßig an den verformbaren Elementen zur Deformierung mit diesen befestigt ist, wobei der Teil der elastischen Einrichtung, der den verformbaren Elementen entspricht, wirkungsmäßig mit der Membraneinrichtung derart in Eingriff steht, daß normalerweise eine Spannung bzw. Belastung an der Membraneinrichtung ausgeübt wird, die dahin tendiert, das Volumen der Kammer zu verkleinern, und eine Einrichtung zur Erregung der verformbaren Elemente zu deren Deformierung und dadurch zur Deformierung der elastischen Einrichtung und der Membraneinrichtung zur Verkleinerung des Volumens der Kammer.

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Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 eine Perspektivansicht eines Drucksystems mit Vielfach-Tintendüse;

Fig. 2 eine Schnittansicht eines Teiles eines piezoelektrischen Antriebsstabes;

eine Schnittansicht längs Linie 3-3 in Figur 1; eine Schnittansicht längs Linie 4-4 in Figur 1; eine Draufsicht auf eine Koinzidenz-Tintendüseneinheit;

eine Unteransicht der Koinzidenz-TintendüseneJnhsit nach Figur 5;

eine Schnittansicht längs Linie 7-7 in Figur 5;

eine Vorderansicht der in den Figuren 5 bis 7 dargestellten Einheit zur Darstellung der piezoelektrischen Antriebselemente, die lösbar daran befestigt sind;

Fig. 9 eine Perspektivansicht eines Vielfach-Tintendüsen-Drucksystems mit einer magnetischen Antriebseinrichtung;

Fig. 10 eine Schnittansicht längs Linie 22-22 in Figur 1; und Fig. 11 eine Schnittansicht längs Linie 33-33 in Figur 1.

Es wird zunächst auf die Figuren 1 bis 4 Bezug genommen. Eine Vielfach-Tintendüseneinheit ist gegenüber einem rotierenden Aufzeichnungsmedium 12 zur Auftragung von Tintentröpfchen darauf angeordnet. Die Einheit enthält eine lösbar an einer Tintendüsen-Instrumenteneinheit 10 befestigte Antriebseinheit 14. Das Instrument 10 enthält eine gestreckte Plastik- oder Keramikkammereinheit 16, eine Plastik- oder Keramik-Vielfach-Düseneinheit 18, die an der Stirnseite der Kammereinheit 16 befestigt ist, und eine Plastikoder Keramik-Verteilerbehältereinheit 19, die an der Rückseite der

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Kanunereinheit befestigt ist. Die Kanunereinheit weist eine Mehrzahl von rechteckig geformten Kammern 20 auf, die durch Seitenwandungen 21 voneinander getrennt sind, welche von einer Bodenwandung 22 aus nach oben hochstehen. Eine dünne elastische Membran 24 überbrückt den Kammerkörper und ist dichtend mit dem oberen Rand jeder Wandung 22 verbunden, um eine äußere Wandung des Kammerkörpers zu bilden. Die elastische Membran 24 enthält ein elastisches Material, beispielsweise rostfreien Stahl, Glas oder Nickel.

Die Antriebseinheit 14 umfaßt eine elektrisch leitende, elastische Metallbahn 26, eine Mehrzahl von in Längsrichtung im Abstand voneinander angeordneten piezoelektrischen Keramikelementen 28, die mit der Bahn 26 verbunden bzw. verklebt sind, eine Mehrzahl Elektroden 30, die jeweils mit einem piezoelektrischen Element 28 verbunden bzw. verklebt sind sowie eine Keramik- oder Plastikträgerstange 32. Die piezoelektrischen Elemente 28 und die Elektroden 30 sind bei der bevorzugten Ausführungsform kreisförmig, können jedoch auch quadratisch oder rechteckig sein. Das piezoelektrische Element 28 wird während seiner Herstellung derart polarisiert, daß es sich in radialer Richtung zusammenzieht. Eine Mehrzahl elektrischer Leitungen 34 sind jeweils mit einer Elektrode 30 verbunden, und eine elektrische Leitung 36 mit der Bahn 26 verbunden. Die Leitungen 34, 36 sind mit (nicht dargestellten) elektrischen Antriebselementen verbunden, und zwar derart, daß die Elektrode 30 jedes piezoelektrischen Elementes getrennt adressiert werden kann. Die Trägerstange 32 enthält eine Mehrzahl zylindrischer Hohlräume 38, von denen jeder an seiner geschlossenen Abschlußwandung 41 eine Rippe 40 aufweist. Die Rippe 40 umschreibt einen Kreis auf der Wandung 41. Die Oberfläche der Rippe ist in einem Abstand "d" von der Oberfläche 42 der Trägerstange 32 angeordnet, wobei dieser Abstand kleiner ist als die kombinierte Dicke "t" des piezoelektrischen Elementes 28 und der Elektrode 30. Die Metallbahn 26 ist mit irgendeinem wohlbekannten Kleber an den Teilen der Oberfläche 42 der Trägerstange angeklebt, die zwischen den Hohlräumen 38 liegen und zwar

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in einer solchen Weise, daß die Elektrode 30 in Eingriff mit der Rippe 40 gedrückt wird. Aufgrund des Unterschiedes zwischen der kombinierten Dicke "t" des piezoelektrischen Elementes 28 und der Elektrode 30 und des Abstandes "d" zwischen der Oberfläche 42 und der Rippe 40 wird die Bahn 26 leicht deformiert, wenn sie an die Trägerstange 32 angeklebt wird.

Ein Flansch oder flaches Anschlußstück 44 ist an jedem Längsende der Trägerstange 32 vorgesehen, und ein komplementäres Anschlußstück 46 ist an jedem Längsende des Kammergehäuses vorgesehen. Die Trägerstange 32 und das Kammergehäuse 16 werden zusammengesetzt und an in Längsrichtung im Abstand voneinander angeordneten Halterungsflanschen 48 (von denen nur einer dargestellt ist), die angrenzend an jedes Längsende desselben angeordnet sind, mittels Bolzen und Mutter befestigt. Das Ausmaß der Deformierung der Bahn 26 aufgrund des Vorstehens des piezoelektrischen Elements 28 über die Oberfläche 42 hinaus ist derart, daß die Membran 24 leicht gespannt wird, wenn die Trägerstange 32 und das Kammergehäuse 16 zusammengesetzt werden, um zu gewährleisten, daß die Membranwandung 24 der Form der deformierten Bahn 26 in der Normalstellung entspricht. Beim Anlegen einer Spannung an dem piezoelektrischen Element 28 deformiert sich dieses und bewirkt, daß die Membran 24 in gleicher Weise deformiert wird und das Volumen in der Kammer reduziert, so daß ein Tintentropfen daraus ausgedrückt wird. Beim Abschalten der Spannung kehrt die Membran 24 aifijrund ihrer Elastizität in ihre Normalstellung zurück und stellt das Flüssigkeitsvolumen der Kammer 20 wieder her.

Die Vielfach-Düseneinheit 18 ist aus einer dünnen Plastikwandung aufgebaut und enthält eine Mehrzahl Tintendüsen-Tröpfchenöffnungen 54, die durch eine Wandung dazwischen getrennt sind. Die Düseneinheit weist eine Mehrzahl von beabstandeten Anschlägen 55 auf, die mit dem Vorderteil der Membran 24 dichtend verbunden sind. Die Düseneinheit ist ferner dichtend mit den Wandungen 21 und der Bodenwandung 22 verbunden, wobei eine öffnung mit einer Kammer in Verbindung steht.

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Die Verteiler-Tintenbehältereinheit 19 ist ebenfalls aus dünnen Plastikwandungen aufgebaut und weist eine Mehrzahl beabstandeter Anschläge 57 auf, die mit dem hinteren Rand der Membran 24 dichtend verbunden sind. Die Behältereinheit ist ebenfalls mit den Wandungen 21 und der Bodenwandung 22 dichtend verbunden und steht über eine Mehrzahl öffnungen 56 mit den einzelnen Kammern 20 in Verbindung. Die Behälteröffnung 56 stellt ein stärkeres Hindernis für den Durchfluß aus der Kammer dar als die Tröpfchenöffnung 54, wobei der in der Kammer 20 aufgrund der Deformierung der Membran 24 verursachte Druck ein Tröpfchen aus der Düsenöffnung 54 ausdrückt, statt daß die Flüssigkeit durch die öffnung 56 in den Behälter zurückgedrüokt wird. Bei Entspannung der Membran ersetzt Flüssigkeit aus dem Behälter die aus der Kammer 20 ausgepreßte Tinte. Ein Hauptbehälter 58 versorgt den Verteilerbehälter über eine Leitung 60 und kann unter einem Druck von etwa 15,2cm (6 Zoll) Flüssigkeit gehalten werden.

Im Betrieb wird eine Spannung selektiv an den piezoelektrischen Elementen 28 verschiedener ausgewählter Kammern angelegt, um eine Deformierung der Membran 24 daran zu verursachen und Tintentröpfchen aus den zugeordneten Düsenöffnungen 54 auszudrücken. Tintentröpfchen werden auf dem Aufzeichnungsmedium aufgetragen, und zwar in Übereinstimmung mit einem gewünschten Bild, während das Aufzeichnungsmedium 12 an der Tintendüseneinheit 2 vorbeirotiert.

Wenn das Instrument 10 ersetzt werden soll, so wird die Einheit 2 von dem Trägerflansch 48 entfernt, das Instument 10 ersetzt und die Einheit mit einem neuen Instrument und einer alten Treibereinheit wird an dem Trägerflansch 48 befestigt. Die piezoelektrischen Elemente sind bei einer Anzahl von Tintendüsen-einheiten verwendbar, wodurch die Kosten für neue piezoelektrische Elemente für jede neue Einheit eingespart werden.

Es wird nun auf die Figuren 5 bis 7 Bezug genommen, in denen eine Koinzidenz-Tintendüseneinheit dargestellt ist, auf die die Erfindung

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ebenfalls Anwendung finden kann. Eine Koinzidenz-Düsenanordnung ist Gegenstand der gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung Nr. 625 988 vom 22. Oktober 1975 mit dem Titel "Koinzidenz-Tintendüse"; dort sind zwei Tintenflüssigkeits-Druckkanäle und eine Tröpfchenauslaßöffnung vorgesehen. Jeder dieser Druckkanäle steht in Verbindung mit einer zugehörigen Druckkammer. Ein Tintentröpfchen wird aus der Auslaßöffnung nur dann ausgedrückt, wenn die Flüssigkeit in beiden Druckkanälen eine gleichzeitige Druckerhöhung erfährt.

Es wird nun auf Figur 7 Bezug genommen. Dort ist eine Schnittansicht eines Tintendüsen-Instrumentgehäuses 100 gezeigt, das ein Paar kreisförmiger Druckkammern 101, 102 enthält. Hauptfluidmittelkanäle 104, 105 führen von den Kammern 101, 102 jeweils zu Druckeinlaßkanälen 106, 107, die zu einem Zufuhrkanal 108 für flüssige Tinte führt, wo die drei Kanäle einander schneiden. Der Zufuhrkanal 108 für die flüssige Tinte zweigt von zwei parallelen Hauptzufuhrkanälen 110, 112 ab, die wiederum an einem Ende im Inneren des Gehäuses durch einen Querkanal 114 und am anderen Ende durch ein äußeres, C-förmiges, rohrförmiges Ansatzstück 116 verbunden sind. Ein aus einem flexiblen Beutel gebildeter Tintenbehälter 120 steht über eine Leitung 122 mit dem rohrförmigen Ansatzstück 116 in Verbindung. An der Schnittstelle befindet sich ferner eine Auslaßöffnung 124, durch die Tintentröpfchen 126 auf ein Kopiermedium ausgedrückt werden.

Die Kammern 101, 102 sind jeweils durch eine elastische Membran 128 verschlossen, die mit einem geeigneten Kleber an dem Gehäuse 100 befestigt sind. Die Kammern und Kanäle sind vollständig mit der Flüssigkeit gefüllt. Wenn die Membran 128 einer der Kammern 101, 102 deformiert wird, so tritt eine Druckerhöhung in der betroffenen Kammer auf, wodurch Tinte in dem zugehörigen Kanal 106, 107 bewegt wird.

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Die Beziehung zwischen den vorstehend beschriebenen Kammern, Kanälen und der Tröpfchenauslaßöffnung wird nun erläutert, um das Prinzip der Koinzidenz-Tintendüse verständlich zu machen. Die Kanäle 106, 107 befinden sich unter einem solchen Winkel relativ zu der Öffnung 124, die Impedanz für den Flüssigkeitsdurchfluß im Kanal 108 bezüglich zur Impedanz des Flüssigkeitsflusses in der Öffnung 124 und die Größe und Dauer einer Druckerhöhung, die auf die Flüssigkeit in den Druckkammern 101, 102 ausgeübt wird, sind derart ausgelegt, daß der aus einem Kanal auf einmal ausgedrückte Tintenstrom an der Öffnung 124 vollständig vorbeigeht und die Tinte in dem Tintenzufuhrkanal 108 verschiebt, während die Tinte in der Öffnung 124 nicht so weit gestört wird, daß ein Tröpfchen daraus ausgedrückt wird. Die Öffnung 124 ist so bezüglich des Schnittpunktes der Kanäle 106, 107 angeordnet und Größe und Dauer der Druckerhöhung auf die Flüssigkeit in den Druckkammern 101, 102 sind so ausgelegt, daß der Summenvektor der Fluidimpulsvektoren in den Kanälen 106, 107 auf der Achse der Öffnung 124 liegt. Nur wenn also die Membranen 128 beider Druckkammern 101, 102 gleichzeitig deformiert werden, wodurch eine gleichzeitige Druckerhöhung auf die Flüssigkeit in jedem der Kanäle 106, 107 ausgeübt wird, so wird ein Tintentröpfchen 126 aus der Öffnung 124 herausgedrückt.

Das vorstehend erläuterte Koinzidenz-Tintendüsenprinzip findet spezifische Anwendung in einem Matrixbetätigungssystem, wo eine große Anzahl von Düsen oder eine dichte lineare Düsenanordnung verwendet wird, da wesentlich weniger Druckkammern als Düsen erforderlich sind. Da zwei unabhängige Druckkammern erforderlich sind, um das Ausdrücken eines Tintentröpfchens aus einer Düse zu bewirken, ist theoretisch die Anzahl der Druckkammern, die in einem Matrixbetätigungssystem erforderlich sind, das zweifache der Quadratwurzel der Düsenanzahl. Beispielsweise werden theoretisch nur 120 Druckkammern für 3.600 Düsen benötigt. Jede Düsenöffnung steht in Verbindung mit zwei Druckkammern. Wenn jedoch

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die Anzahl der Düsen in einem System steigt, so wird die Anzahl der mit einer Druckkammer in Verbindung stehenden Düsen hydraulisch begrenzt, und daher sind möglicherweise mehr Druckkammern erforderlich. Beispielsweise liegt die praktische Anzahl von. Druckkammern für ein Instrument mit 3.600 Düsen zwischen 120 und 400. In diesem Falle wird ein Gehäuse mit einer Mehrzahl von Druckkammern vorgesehen, von denen jede eine Anzahl von Tintendüsen bedient. Die in den Figuren 5 bis 7 dargestellte Ausführungsform ist ein Tintendüseninstrument mit neun Düsen und sechs Druckkammern. Jede Öffnung 130, 132, 134, 136,138, 140, 142, und weist Druckeinlaßkanäle 106, 107 und einen Fluidmittel-Zufuhrkanal 108 auf, der damit in genau derselben Weise in Verbindung steht wie vorstehend für Öffnung 124 beschrieben. Die Druckkammern 146, 148, 150 und 152 sind die gleichen wie die Kammern 101, 102, und jede von diesen ist durch eine getrennte Membran 128 verschlossen, Aus Gründen der Klarheit zeigt Figur 5 Fluidmittelkanäle nur zwischen den Kammern 101, 146 und 148 und ihren zugehörigen Tintendüsenöffnungen, und Figur 6 zeigt die Fluidmittelkanäle nur zwischen den Kammern 102, 150 und 152 und ihren zugehörigen Tintendüsen-Öffnungen. Ferner sind einige Kanäle schraffiert bzw. punktiert, um getrennte Kanäle deutlich zu zeigen. Die Kammer 101 steht über den Hauptkanal 104 mit den Düsen 124, 134 und 140 in Verbindung; die Kammer 146 steht über den Kanal 154 mit den Düsen 130, 136 und 142 in Verbindung; Kammer 148 steht über Kanal 156 mit den Düsen 132, 138 und 142 in Verbindung. Die Kammer 102 steht über Kanal 105 mit den Düsen 124, 130 und 132 in Verbindung, Kammer 150 steht über Kanal 158 mit den Düsen 134, 136 und 138 und Kammer 152 steht über Kanal 160 mit Düsen 140, 142 und 144 in Verbindung. In der folgenden Tabelle ist gezeigt, welche Düsen Tröpfchen ausdrücken, wenn besondere Kammern unter Druck gesetzt werden:

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Kammern	Tröpfchen
Gleichzeitig mit Druck	Aus Düse ausgedrückt
beaufschlagt
102, 101	124
102, 146	130
102, 148	132
150, 101	134
150, 146	136
150, 148	138
152, 101	140
152, 146	142
152. 148	144

Es wird auf die Figuren 7 und 8 Bezug genommen. Ein Paar Antriebseinheiten 162, 164 ist entfernbar an einem ortsfesten Träger befestigt. Jede Antriebseinheit ist in derselben Weise aufgebaut wie Antriebseinheit 14, wobei ein piezoelektrisches Element für jede Kammer in einem zugehörigen Hohlraum 170 einer Trägerstange 172 angeordnet ist. Eine elastische Metallbahn 171 ist mit jedem piezoelektrischen Element und der Trägerstange 172 verklebt und steht in Eingriff mit jeder Membran 128, um diese leicht unter Spannung zu setzen. Elektrisch isolierte Leitungsdrähte 174 sind jeweils mit einer dünnen elektrisch leitenden Metallplatte 176 verbunden, die mit dem piezoelektrischen Element 168 verklebt ist. Eine elektrisch isolierte Leitung 178 ist mit der Bahn 171 verbunden. Eine Mehrzahl elektronischer Treibereinrichtungen ist elektrisch jeweils mit einem Leitungsdraht 174, 178 verbunden, um selektiv eine Spannung an einem ausgewählten piezoelektrischen Element 168 anzulegen. Wenn ein Tintentröpfchen durch eine besondere öffnung ausgedrückt werden soll, so wird eine Spannung an den piezoelektrischen Elementen angelegt, die den besonderen zwei Kammern entsprechen, die zum Ausdrücken eines Tröfchens durch die öffnung unter Druck gesetzt werden müssen. Wenn eine Spannung an einem piezoelektrischen Element angelegt wird, so

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verursacht eine Deformierung desselben eine Verformung der Membran 128, was dazu führt, daß das Volumen der zugehörigen Druckkammer reduziert wird und der Druck darin erhöht wird. Das Flüssigkeitströpfcheninstrument ist sandwichartig zwischen die Treibereinheiten 162, 164 gelegt, welche Flansche 180 an ihren Längsenden aufweisen. Eine Schraube 182 erstreckt sich durch die Flansche und einen Trägerflansch 184 hindurch, um die Tintendüsenbaugruppe an einem ortsfesten Trägeraufbau 186 zu befestigen. Wenn das Tintendüseninstrument durch ein neues ersetzt werden soll, so werden die Antriebselemente 162, 164 von dem Trägerflansch 184 entfernt, das Gehäuse 100 wird entfernt und durch ein neues ersetzt und die Antriebselemente werden wieder an dem Trägerflansch 184 befestigt. Somit können die piezoelektrischen Elemente bei einer Anzahl von Tintendüseninstrumenten benutzt werden, wodurch die Kosten für neue piezoelektrische Elemente für jedes neue Instrument eingespart werden.

Die Membran 24 bei der Ausführungsform nach den Figuren 1 bis 4 überspannt das gesamte Kammergehäuse. An ihrer Stelle kann eine Mehrzahl von Membranen verwendet werden, und zwar eine für jede Kammer. In ähnlicher Weise kann eine kontinuierliche Membranbahn das Gehäuse 100 überspannen, um die Kammern 101, 146 und 148 abzudichten, und eine weitere kontinuierliche Membranbahn kann die Kammern 102, 150 und 152 abdichten, statt daß getrennte Membranen 128 für jede Kammer wie beider Ausführungsform nach den Figuren 5 bis 8 verwendet werden.

Es wird nun auf die Figuren 9 bis 11 Bezug genommen, in denen eine andere Ausfuhrungsform der Erfindung dargestellt ist. Eine Tintendüsen-Instrumenteneinheit 200 ist gegenüber einem rotierenden Aufzeichnungsmedium 400 angeordnet, um darauf Tintentröpfchen aufzutragen. Eine magnetische Antriebsstange 100 ist lösbar an der Tintendüsen-Instrumenteneinheit 200 befestigt. Das Instrument umfaßt eine gestreckte Plastik- oder Keramikkammereinheit 120, eine

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Plastik- oder Keramik-Vielfachdüseneinheit 140, die an der Stirnseite der Kanunereinheit 120 befestigt ist, und eine Plastik- oder Keramik-Verteilerbehältereinheit 150, die an der Rückseite der Kammereinheit befestigt ist. Die Kammereinheit weist eine Mehrzahl Kammern 160 auf, die durch Seitenwandungen 180 voneinander getrennt sind, welche von einer Bodenwandung 190 aus nach oben hochstehen. Eine elastische Membran 120 überspannt den Kammerkörper und ist an dem oberen Rand jeder Wandung 180 dichtend befestigt, um eine Außenwandung des Kammerkörpers zu bilden. Die Membran 220 umfaßt zwei geschichtete Schichten 222, 224 aus verschiedenen Werkstoffen, die bedeutend unterschiedliche Belastungscharakteristika in Anwesenheit eines Magnetfeldes aufweisen, was zu einer Wölbung der Membran führt, wenn ein derartiges Feld daran angelegt wird. Ein Beispiel für zwei derartige Materialien ist Nickel für die Schicht 222 und eine Eisen-Kobalt-Nickel-Legierung, beispielsweise Supermendur, für Schicht 224. Die Längenänderung bezüglich der ursprünglichen Länge ist bei Supermendur wesentlich größer als bei Nickel und zwar bei irgendeiner gegebenen Magnetisierungskraft. Wenn eine Wölbung oder Deformierung der Membran auftritt, so bildet die Supermendurschicht die längste Oberfläche (konvexe Oberfläche) des Bandes in Wölbungsrichtung, und die Nickelschicht bildet die kürzeste Oberfläche (konkave Oberfläche) des Bandes in Wölbungsrichtung.

Das magnetische Antriebselement 100 ist an einem ortsfesten Lagerelement 226 mittels Schrauben 228 verbunden, die sich durch in Längsrichtung im Abstand voneinander angeordnete Flansche 229 erstrecken. Das Antriebselement ist aus einem Material hergestellt, das gegenüber Magnetfeldern hochpermeabel ist, jedoch eine niedrige elektrische Leitfähigkeit aufweist, um Wirbelstromverluste möglichst klein zu halten. Derartige Werkstoffe können solche umfassen, die als Ferrite bekannt sind. Das Antriebselement 100 umfaßt eine Mehrzahl Füße 230» von denen aneinander angrenzende Paare jeweils eine Kammer 160 umfassen und Hufeisenmagnete bilden. Eine Mehrzahl

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elektrisch isolierender Leiter 232 sind spulenartig jeweils um einen der Abschnitte 234 des Antriebselementes, die jeweils zwischen den Füßen 230 liegen, herumgewickelt. Die spulenartigen Leiter sind mit (nicht dargestellten) elektrischen Treiberelementen derart verbunden, daß jede Spule getrennt adressiert werden kann. Wenn Strom durch die spulenförmigen Leiter 232 geschickt wird, so werden die Magnetfeldlinien längs der Achse der Spule bzw. in Längsrichtung erzeugt. Die Magnetfeldlinien sind auf einen zugehörigen Kammerbereich begrenzt, so daß nur der entsprechende Membranabschnitt gespannt wird, wenn Strom durch die entsprechende Spule geschickt wird. Die durch das Magenetgeld verursachte Spannung der Membran 200 erfolgt in einer Richtung parallel zur Richtung der Magnetfeldlinien bzw. in Längsrichtung. Es wird auf Figur 10 Bezug genommen. Die auf die Membran ausgeübte Spannung verursacht eine ungleiche Belastung in den Schichten 222, 224, wodurch eine Wölbung der Membran in Längsrichtung verursacht wird, wobei die konvexe bzw. längste Oberfläche 224 derselben zur Innenseite der Kammer 160 hingewendet ist, was zu einer Verkleinerung des Volumens der Kammer führt, um aus dieser ein Tröpfchen auszudrücken.

Die Vielfachdüseneinheit 140 ist aus dünnen Plastikwandungen aufgebaut und enthält eine Mehrzahl Tintendüsen-Tröpfchenöffnungen 238, die durch eine Wandung dazwischen voneinander getrennt sind. Die Düseneinheit weist eine Mehrzahl von beabstandeten Anschlägen 239 auf, die mit dem vorderen Rand der Membran 220 dichtend verbunden sind. Die Düseneinheit ist ferner dichtend mit den Wandungen 180 und der Bodenwandung 190 verbunden, wobei eine öffnung mit einer Kammer in Verbindung steht.

Die Tinten-Verteilerbehältereinheit 150 ist ebenfalls aus dünnen Plastikwandungen aufgebaut und weist eine Mehrzahl von beabstandeten Anschlägen 241 auf, die mit dem hinteren Rand der Membran 220 dichtend verbunden sind. Die Behältereinheit 150 ist ferner mit den Wandungen 180 und der Bodenwandung 190 dichtend verbunden und steht über eine Mehrzahl von öffnungen 240 mit den einzelnen Kammern 160 in Verbindung. Die Behälteröffnung 240 bietet einen größeren Widerstand für den Durchfluß aus der Kammer als die Tröpfchenöffnung 238, wodurch bei Druckentwicklung in der Kammer

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160 aufgrund der Verformung der Membran 220 ein Tröpfchen aus der Düsenöffnung 238 ausgedrückt wird, anstatt daß die Flüssigkeit durch die Öffnung 240 in den Behälter zurückgedrückt wird. Bei Entspannung der Membran ersetzt Flüssigkeit aus dem Behälter die aus der Kammer 160 ausgedrückte Tinte. Ein primärer Behälter 242 versorgt den Verteilerbehälter über eine Leitung 244 und kann unter einem Druck von etwa 15,2 cm (6 Zoll) Flüssigkeit gehalten werden.

Das Flüssigkeitströpfcheninstrument 200 ist lösbar mit der Magneteinheit verbunden, und zwar durch magnetische Anziehung zwischen den Hufeisenmagneten und der Membran 220. Es kann jedoch eine zusätzliche geeignete Verbindungseinrichtung vorgesehen sein, um das Instrument mit der Magnettreibereinheit lösbar zu verbinden. Folglich kann das Instrument 200 von dem Treiberelement entfernt werden und ersetzt werden, so daß dasselbe Treiberelement für eine Anzahl von Instrumenten verwendet werden kann.

Beim Betrieb wird Strom selektiv durch die spulenförmigen Leiter 232 verschiedener ausgewählter Kammern geleitet, um eine Verformung der zugehörigen Membran 220 zu verursachen und Tintentröpfchen aus der zugeordneten Düsenöffnung 238 auszudrücken und Tintentröpfchen auf dem Aufzeichnungsmedium aufzutragen, in Übereinstimmung mit einem gewünschten Bild, während das Aufzeichnungsmedium 400 daran vorbeirotiert.

Kurz umrissen wird also durch die Erfindung eine Tintendüsenbaueinheit geschaffen, die einen magnetischen oder piezoelektrischen Treiber und ein Flüssigkeitströpfcheninstrument enthält. Der Treiber oder das Antriebselement umfaßt eine Mehrzahl von Magneten oder piezoelektrischen Elementen, die selektiv erregt werden können. Das Instrument enthält eine Membraneinrichtung, die eine Außenwandung mit einer Mehrzahl von Kammern bildet. Die piezoelektrischen Elemente sind wirkungsmäßig in Eingriff mit der Wandung und setzen diese normalerweise unter Belastung mit einer Tendenz zur Verkleinerung

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des Volumens jeder Kammer. Wenn ein piezoelektrisches Element betätigt wird, so verformt sich die entsprechende Wandung, so daß das Volumen der zugehörigen Kammer verkleinert wird und der Druck darin erhöht wird, um ein Flüssigkeitströpfchen daraus auszudrücken. Alternativ deformiert sich die Membran, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt wird, und verkleinert das Volumen einer Kammer, um den Druck darin zu erhöhen und ein Flüssigkeitströpfchen daraus auszudrücken. Treiber und Instrument sind lösbar miteinander verbunden, so daß eine Erneuerung des Instruments möglich ist, ohne daß der Treiber fortgeworfen bzw. ersetzt werden müßte.

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Claims

Xerox Corporation, Rochester/ N.Y./USA Patentansprüche

1.j Vorrichtung zur Erzeugung von Flüssigkeitstropfen, gekenndurch

ein Gehäuse (100) mit einer Mehrzahl von darin gebildeten Druckkammern (16, 101, 102), wobei die Druckkammern sich zu einer äußeren Oberfläche des Gehäuses hin öffnen, eine elastische Membraneinrichtung (24, 128), die jede Kammeröffnung abdichtet, wodurch eine Außenwandung jeweils einer Kammer gebildet wird,

eine lösbar an dem Gehäuse befestigte Antriebseinheit (14, 162, 164), die ein Trägerelement (172) umfaßt,

eine Mehrzahl von Spannungserzeugenden, verformbaren Elementen (26, 28), die wirkungsmäßig an dem Trägerelement befestigt sind, eine elastische Einrichtung, die wirkungsmäßig an den verformbaren Elementen zur Deformierung mit diesen befestigt ist, wobei der Teil der elastischen Einrichtung, der den verformbaren Elementen entspricht, wirkungsmäßig mit der Membraneinrichtung derart in Eingriff steht, daß normalerweise eine Spannung bzw. Belastung an der Membraneinrichtung ausgeübt wird, die dahin tendiert, das Volumen der Kammer zu verkleinern, und eine Einrichtung zur Erregung der verformbaren Elemente zu deren

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INSPECTED

Deformierung und dadurch zur Deformierung der elastischen Einrichtung und der Metnbraneinrichtung zur Verkleinerung des Volumens der Kammer.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membraneinrichtung (24, 128) eine Mehrzahl getrennter Membranelemente, eines für jede Kammer, aufweist und daß das spannungserzeugende, verformbare Element ein piezoelektrisches Element ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Membraneinrichtung eine die Kammer überspannende Bahn ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß alle Druckkammern nur zu einer Seite des Gehäuses geöffnet sind und die Antriebseinheit gegenüber dieser Oberfläche angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse eine Mehrzahl von für Magnetfelder permeablen Elementen (230) aufweist, von denen jedes lösbar mit einem Teil der elastischen Membraneinrichtung (220) einer zugehörigen Kammer (160) in Eingriff ist, daß eine Einrichtung (232) zur selektiven Erzeugung eines Magnetfeldes in einem der permeablen Elemente vorgesehen ist und daß die elastische Membran (220) so aufgebaut und angeordnet ist, daß sie bei Erzeugung des Magnetfeldes verformt wird und das Volumen einer zugehörigen Kammer (160) verkleinert.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die permeablen Elemente (230) Hufeisenmagnete sind und daß die Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes in den permeablen Elementen elektrisch isolierte Leiter (232) umfaßt, die um die Hufeisenmagnete herumgewickelt sind.

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7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, daß eine Gruppe der Druckkammern nach einer Oberfläche des Gehäuses hin geöffnet ist und eine andere Gruppe der Druckkammern nach einer anderen Oberfläche des Gehäuses hin geöffnet ist, daß ein Teil der Antriebseinheit gegenüber der einen Oberfläche des Gehäuses angeordnet ist und ein anderer Teil der Antriebseinheit gegenüber der anderen Oberfläche des Gehäuses angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Tröpfchenauslaßöffnungen von denen jede mit einer entsprechenden Druckkammer in Verbindung steht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Tröpfchenauslaßöffnungen vorgesehen ist, daß jede der Druckkammern mit mehr als einer der Öffnungen in Verbindung steht und die Anzahl der Druckkammern kleiner ist als die Anzahl der Öffnungen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Einrichtung direkt mit den piezoelektrischen Elementen in Eingriff ist und elektrisch leitend ist und daß die Einrichtung zur Erregung der piezoelektrischen Elemente eine Einrichtung zum Anlegen einer Spannung an dem piezoelektrischen Element mit der elastischen Einrichtung umfaßt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Einrichtung eine die piezoelektrischen Elemente überspannende Bahn (26) ist.

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