DE2704514C2 - - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Her
stellen einer Tintenstrahlaufzeichnung gemäß dem Oberbe
griff des Patentanspruchs 1 und eine Einrichtung zur Durch
führung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Patentan
spruchs 16.
Bei bekannten Tintenstrahlaufzeichnungsverfahren wird ein
Flüssigkeitsstrahl unter hohem Druck aus einer Düse ausge
stoßen, der sich dann kurz nach seinem Austreten an einem
sogenannten Tröpfchenbildungspunkt spontan in Tröpfchen zer
teilt, die sich dann in der ursprünglichen Strahlrichtung,
also z. B. auf einen Aufzeichnungsträger zu, weiterbewegen.
Zur Aufzeichnung eines eine Information enthaltenden Musters
werden die Tröpfchen z. B. durch ein elektrisches Feld, das
durch zwei beidseits des Strahlweges angeordnete Elektroden
erzeugt wird und senkrecht zur Strahlrichtung verläuft, ab
gelenkt.
Bei einem aus der US-PS 35 96 275 und der US-PS 33 73 437
bekannten Verfahren wird ein kontinuierlich erzeugter Strahl
elektrisch aufgeladen und dann durch gesteuert aufgeladene
Ablenkplatten auf eine gewünschte Stelle eines Registrier
papieres oder, wenn die Aufzeichnung unterbrochen werden
soll, an eine Auffangstelle abgelenkt.
Bei einem aus der US-PS 34 16 513 bekannten Verfahren, bei
welchem ebenfalls mit einem kontinuierlichen Strahl gear
beitet wird, wird der Tintenstrahl zur Unterbrechung der
Aufzeichnung durch ein elektrisches Feld so stark aufgela
den, daß er in einen feinen Nebel zerfällt, der dann durch
ein quer zur Strahlrichtung verlaufendes elektrisches Gleich
feld "abgesaugt" wird.
Neben den Tintenstrahlaufzeichnungsverfahren mit kontinuier
licher Tintenstrahlerzeugung sind Verfahren mit intermittie
render Tintenstrahlerzeugung bekannt, bei denen z. B. durch
einen piezoelektrischen Kristall oder durch Magnetostriktion
in einer mit der Aufzeichnungsflüssigkeit gefüllten Kammer
ein plötzlicher Druckanstieg erzeugt wird, durch den dann
ein Tintenstrahltröpfchen auf den Aufzeichnungsträger ge
schleudert wird. Derartige "on-demand"- oder Impulstinten
strahlerzeugungssysteme sind z. B. in der US-PS 37 47 120, in
der US-PS 34 52 360 und in der US-PS 39 24 974 beschrieben.
In der DE-AS 21 61 315 und in der US-PS 39 24 974 sind Ein
richtungen zur Tintenstrahlaufzeichnung beschrieben, bei de
nen in einen Bereich vor der Mündung der Tintenausspritzdüse
über einen separaten Zuführungsweg Tinte zugeführt wird, wo
durch bei der Expansion der Tintenkammer eine Rücksaugung
von Luft in dieselbe verhindert werden soll.
Alle diese bekannten Verfahren haben den Nachteil, daß Auf
zeichnungsflüssigkeiten oder Tinten mit sehr speziellen Eigen
schaften verwendet werden müssen, um einen möglichst zuver
lässigen und wartungsfreien Betrieb zu erreichen. Dies ist
in erster Linie dadurch begründet, daß der Durchmesser der
Düse bei diesen Tintenstrahlaufzeichnungseinrichtungen sehr
klein ist, er liegt üblicherweise zwischen 5 und 300 µm. Durch
diesen geringen Düsendurchmesser ergeben sich vor allen Din
gen zwei Nachteile: Zum einen muß in der zur Düse führenden
Tintenzuführung ein Filter angeordnet sein, wodurch verhin
dert wird, daß kleine Teilchen und andere Verunreinigungen
in der Tinte die Düse erreichen und diese verstopfen, zum
anderen trocknet die Tinte in der Düse relativ schnell ein,
wenn das Gerät eine zeitlang nicht benutzt wird, was eben
falls zur Verstopfung der Düse führt.
Um das Eintrocknen der Aufzeichnungsflüssigkeit während Be
triebspausen des Gerätes in der Düse zu verhindern, werden
bei den obengenannten bekannten Verfahren üblicherweise Auf
zeichnungsflüssigkeiten verwendet, die aus einem Farbstoff
und einem diesen in Lösung enthaltenen Lösungsmittel beste
hen. Das Lösungsmittel ist so gewählt, daß es im wesentlichen
nicht eintrocknen kann, z. B. eine Mischung aus Glycerin und
Wasser. Das Wasser dient zur Lösung entsprechender wasserlös
licher Farbstoffe, wohingegen das Glycerin das Eintrocknen
der Aufzeichnungsflüssigkeit verhindert, selbst wenn der
größere Teil des Wassers verdampft ist. Die meisten wasser
löslichen Farbstoffe bilden jedoch nach Verdampfen des Was
sers eine unerwünschte feste Verbindung mit dem Glycerin oder
sie fallen bei zunehmender Konzentration mit Glycerin aus. Da
durch wird dann das Eintrocknen der Düse oder andere Betriebs
störungen hervorgerufen.
Im älteren Patent 24 45 954 wird eine Einrichtung zum Verhindern
des Eintrocknens von Tinte in Tintenstrahlaufzeichnungsein
richtungen beschrieben, die zwei Flüssigkeitskammern für ge
trennte Flüssigkeiten aufweist. Die andere Kammer enthält die
für die Aufzeichnung verwendete Tinte, vor die Düse der Tinten
kammer ist eine weitere Flüssigkeitskammer geschaltet, die mit
einer mit der Düse der Tintenkammer fluchtenden Auslaßöffnung
versehen ist. Dieser Kammer wird eine farblose, mit der Tinte
nicht mischbare Flüssigkeit zugeführt, die einen höheren Dampf
druck als die Tinte aufweist und die so beschaffen ist, daß
Tintentröpfchen von dieser nicht benetzt werden. Durch die
der Mündung der Tintenspritzdüse vorgeschaltete Schicht
der farblosen Flüssigkeit wird bei Betriebspausen das Aus
trocknen der Tinte in der Düse verhindert.
Bei dieser wie bei den eingangs beschriebenen bekannten
Tintenstrahlaufzeichnungseinrichtungen darf die Tinte wegen
des geringen Durchmessers der Tintenspritzdüse keine kleinen
Partikel enthalten, so daß keine Tinten oder Aufzeichnungs
flüssigkeiten, die Farbpigmente enthalten, wie z. B. übliche
Tusche, verwendet werden können. Die Bedingung, daß die Auf
zeichnungsflüssigkeit partikelfrei sein muß, hat die Anwen
dung von Tintenstrahlaufzeichnungseinrichtungen bisher wesent
lich eingeschränkt. Weiter wird die Wahl der Tinte oder Auf
zeichnungsflüssigkeit dadurch eingeschränkt, daß an die Flüs
sigkeit noch zusätzliche Anforderungen gestellt werden, so
muß die Flüssigkeit z. B. für die Verwendung in einer der ein
gangs erwähnten Einrichtungen, bei der der Tintenstrahl durch
ein elektrisches Feld abgelenkt wird, eine gute elektrische
Leitfähigkeit aufweisen. Weitere Schwierigkeiten können beim
Wechseln der Tinte oder Aufzeichnungsflüssigkeit entstehen,
da viele Farbstoffe chemisch miteinander reagieren, wodurch
wiederum Betriebsschwierigkeiten hervorgerufen werden können.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,
ein Verfahren zum Erzeugen einer Tintenstrahlaufzeichnung sowie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens
anzugeben, bei dem an die Eigenschaften der verwendeten Auf
zeichnungsflüssigkeit nur geringe, deren Auswahl kaum beein
flussende Anforderungen gestellt werden müssen, so daß auch
bei Verwendung nahezu beliebiger Aufzeichnungsflüssigkeiten
ein zuverlässiger und wartungsarmer Betrieb gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merk
malen des Patentanspruchs 1 und durch eine Einrichtung mit
den Merkmalen des Patentanspruchs 16 zur Durchführung die
ses Verfahrens.
Zur Tintenstrahlaufzeichnung wird erfindungsgemäß ein Strahl
aus feinen Tröpfchen einer Flüssigkeit steuerbar auf eine
zu beschreibende Fläche oder Empfangsfläche gerichtet, der
dadurch erzeugt wird, daß eine Primärflüssigkeit unter Druck
aus einer Düse durch eine dünne Schicht einer Sekundärflüs
sigkeit hindurchgeschickt wird, wodurch sich ein Flüssig
keitsstrahl bildet, der an einem Tröpfchenbildungspunkt in
einen Strahl aus feinen Tröpfchen zerfällt. Dieser Strahl
besteht aus einer Kombination oder Mischung der Primärflüs
sigkeit und der Sekundärflüssigkeit. Vorzugsweise ist die
Primärflüssigkeit frei von Teilchen, während die Sekundär
flüssigkeit einen Farbstoff oder ein Pigment enthält.
Durch die vorliegende Erfindung entfallen vorteilhafter
weise die meisten der Einschränkungen, denen die Flüssig
keiten, insbesondere Aufzeichnungsflüssigkeiten oder Tinten
der bekannten Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungssysteme unter
worfen sind, da der Durchmesser der Öffnung, aus der der
Flüssigkeitsstrahl schließlich austritt, vergrößert werden
kann, wobei trotzdem ein Flüssigkeits- oder Tintenstrahl
aus feinen Tröpfchen mit ausreichend kleinem Durchmesser,
z. B. mit Durchmessern zwischen 10 und 200 µm, wie es für Auf
zeichnungen mit hoher Auflösung notwendig ist, dadurch er
zeugt werden kann, daß der Primärflüssigkeitsstrahl mit ho
her Geschwindigkeit aus einer Düse geringen Durchmessers,
z. B. 5 bis 100 µm, austritt.
Während bei der Einrichtung, die in dem obenerwähnten
älteren Patent 24 45 954 vorgeschlagen wird, die Sekundär
flüssigkeit lediglich zur Abdeckung der Düse dient und
die aus Tinte bestehenden Tropfen der Primärflüssigkeit
nicht umhüllen soll, dient beim vorliegenden Verfahren
und der vorliegenden Einrichtung die Primärflüssigkeit
sozusagen als Antriebsmittel für die Sekundärflüssigkeit,
die alleine oder in Kombination mit der Primärflüssigkeit
die eigentliche Aufzeichnungsflüssigkeit bildet.
Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 und 2 schematische Darstellungen der Erzeugung
eines Misch-Strahles und einer hierfür geeigneten Einrichtung
gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Tintenstrahl
registriergerätes, das mit einem Misch-Strahl gemäß den Lehren
der Erfindung und einer Einrichtung gemäß Fig. 1 arbeitet;
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Einrichtung
gemäß der Erfindung;
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Tintenstrahl
registriergerätes, das die Einrichtung gemäß Fig. 4 enthält;
Fig. 6 bis 9 vier weitere Ausführungsformen von Vorrich
tungen zum Erzeugen einer dünnen Schicht aus der Sekundär
flüssigkeit für die Bildung des Misch-Strahles;
Fig. 10 eine Darstellung eines Teiles einer Ausführungs
form der Erfindung, bei welcher die Richtung des Misch-Strahles
veränderbar ist;
Fig. 11 und 12 eine Querschnitts- bzw. Stirnansicht einer
bevorzugten Ausführungsform einer Einrichtung gemäß der Erfin
dung zum Erzeugen eines Misch-Strahles;
Fig. 13 eine Querschnittsansicht einer Fig. 11 entspre
chenden Einrichtung mit einer abgewandelten Dämpfungseinrich
tung für die Sekundärflüssigkeit;
Fig. 14 eine Querschnittsansicht einer gegenüber Fig. 11
abgewandelten Ausführungsform, bei welcher zusätzliche Maß
nahmen zur Aufrechterhaltung und/oder Veränderung des Druckes
der Sekundärflüssigkeit getroffen sind;
Fig. 15 eine schematische Darstellung eines Tintenstrahl
systemes des Hertz-Simonsson'schen Typs, welches eine Ein
richtung gemäß Fig. 11 zum erfindungsgemäßen Erzeugen eines
Misch-Strahles enthält;
Fig. 16 ein Tintenstrahlsystem des Sweet-Typs, welches
eine Einrichtung der in Fig. 11 dargestellten Art enthält.
In den Fig. 1 und 2 ist die Erzeugung eines Verbund- oder
Misch-Strahles gemäß der Erfindung dargestellt. In der folgen
den Beschreibung wird der Einfachheit halber angenommen, daß
die Primärflüssigkeit eine farblose, teilchenfreie Flüssigkeit
ist, und daß es sich bei der Sekundärflüssigkeit um eine ge
färbte Aufzeichnungsflüssigkeit oder Tinte handelt, die ge
gebenenfalls ein feinteiliges Material, z. B. ein Pigment ent
hält. Wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, wird die farb
lose Primärflüssigkeit 10 durch eine Leitung 11 zugeführt und
unter Druck durch eine Düse 12 gepreßt, deren Auslaß 13 unter
halb einer Oberfläche 14 einer Sekundärflüssigkeit 15 (z. B.
einer farbigen Aufzeichnungsflüssigkeit oder Tinte) liegt,
welche sich in einem oben offenen Behälter 16 befindet. Für
Tintenstrahlsysteme, wie sie z. B. in Registriergeräten und dgl.
benötigt werden, liegt der Durchmesser der Düse 12 typischer
weise zwischen etwa 5 und 100 µm und der Druck der Primär
flüssigkeit 10 liegt üblicherweise im Bereich zwischen etwa
0,49 und etwa 9,8 MPa. Dabei entsteht ein primärer Flüssig
keitsstrahl oder Primärstrahl 17, welcher mit hoher Geschwin
digkeit durch die Sekundärflüssigkeit 15 zu deren Oberfläche
14 läuft und dabei eine kleine Menge der Sekundärflüssigkeit
15 oder Tinte mitnimmt und sich mit ihr mischt. Wenn der
resultierende Verbund- oder Misch-Strahl 18 (Sekundärstrahl) die Oberfläche 14
erreicht und diese durchbricht, ist er nicht länger farblos
sondern hat die Farbe der Tinte oder Sekundärflüssigkeit 15
angenommen. Der Durchmesser des Misch-Strahles 18 ist gering
fügig größer als der des Primärstrahles und seine Geschwindig
keit ist etwas kleiner als die des letzteren. Diese Unter
schiede hängen zum Teil vom Abstand d zwischen dem Auslaß 13
der Düse 12 und der Oberfläche 14 ab, also im Effekt von der
Dicke einer dünnen Schicht 19 der Sekundärflüssigkeit, die von
dem Primärstrahl 17 durchlaufen wird. Die Größe der Änderun
gen des Strahldurchmessers und der Strahlgeschwindigkeit hängt
zum Teil auch von den Eigenschaften der beiden Flüssigkeiten
10 und 15 ab. Es sei beispielsweise erwähnt, daß ein Primär
strahl 17, der unter einem Druck von 4,9 MPa aus einer
Düse mit einem Durchmesser von 15 µm austritt, eine Geschwin
digkeit von etwa 40 m/sec hat. Diese Geschwindigkeit ist um
etwa 50 bis 75% verringert, wenn der Strahl durch die Ober
fläche 14 bricht und den Misch-Strahl 18 bildet, dessen Durch
messer etwa 1,5 bis 2mal größer sein kann als der Durchmesser
der Düse. Der Abstand zwischen dem Auslaß der Düse und der
Flüssigkeitsoberfläche, d. h. die Dicke d der Schicht 19, liegt
bei diesem Beispiel zwischen etwa 0,2 und 0,5 mm und die
Viskosität der Flüssigkeiten 10 und 15 liegt in der Größen
ordnung von 1 mPas.
Kurz nach seiner Bildung oberhalb der Oberfläche 14 der
Sekundärflüssigkeit 15 zerfällt der Misch-Strahl 18 an einem
Tröpfchenbildungspunkt 20 spontan in feine Tröpfchen, die als
Tröpfchen-Misch-Strahl hintereinander durch die Luft weiter
fliegen wie bei den üblichen Flüssigkeitsstrahlen.
Man kann daher zur Steuerung des Misch-Strahles
aus den feinen Tröpfchen 21 alle Techniken und Verfahren zum
elektrischen Steuern von Tintenstrahlen zum Zwecke einer
Aufzeichnung, bei denen die Tröpfchen elektrisch aufgeladen
werden, verwenden.
Es ist einleuchtend, daß die vorliegende Erfindung we
sentliche Vorteile gegenüber den bekannten Verfahren zur Her
stellung von Flüssigkeitsstrahlen für Aufzeichnungszwecke hat,
da die Primärflüssigkeit 10 keine Farbe oder feinteiliges
Material zu enthalten braucht. Durch den Wegfall des fein
teiligen Materials in der unter Druck durch die Düse 12 ge
preßten Primärflüssigkeit werden wiederum die meisten der
oben geschilderten Schwierigkeiten vermieden. Gleichzeitig
braucht man an die Sekundärflüssigkeit 15, d. h. die Tinte
oder Farbe, wesentlich weniger strenge Bedingungen zu stellen
als bisher. Da es z. B. auf die Trocknungseigenschaften der
Sekundärflüssigkeit kaum ankommt, unterliegt die Wahl von
Farbstoffen und teilchenförmigen Materialien praktisch keinen
Einschränkungen und man kann daher selbstverständlich auch
mit Vorteil Pigmenttinten verwenden. Bei Verwendung solcher
Pigmenttinten lassen sich wiederum die Farbkonzentration und
damit der Kontrast erhöhen. Weiterhin ist die Düse 12 ge
wöhnlich in die Sekundärflüssigkeit 15 eingetaucht, was be
deutet, daß sie gegen ein Verstopfen während der Betriebs
pausen geschützt ist. Im Gegensatz zu den bekannten Ver
fahren und Einrichtungen wird durch die Erfindung ein ra
scher Wechsel der Tinte, also der Sekundärflüssigkeit 15
ermöglicht, was z. B. bei Änderungen der Aufzeichnungsfarbe
von Interesse ist. Schließlich sei erwähnt, daß eine farb
lose und pigmentfreie Primärflüssigkeit 10 das in einem Tinten
strahlschreibsystem gewöhnlich vorgesehene Filter selbst im
Verlaufe eines längeren Gebrauches nicht verstopft. Hierdurch
werden wiederum die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer des
Tintenstrahlsystems, welches eine Einrichtung gemäß der Er
findung enthält, wesentlich erhöht.
Da die Rolle der Primärflüssigkeit in erster Linie darin
bsteht, einen Primärstrahl 17 zu bilden, der unter Druck aus
der Düse 12 austritt, ist es erforderlich, als Primärflüssig
keit eine solche zu verwenden, die schließlich einen Misch-
Strahl 18 ergibt, der in den gewünschten Misch-Strahl aus
feinen Tröpfchen 21 zerfällt, welche einen relativ gleich
mäßigen Durchmesser haben und die gewünschte Wanderungsrichtung
zu der Vorrichtung beibehalten sollen, welche ihre endgültige
Richtung oder ihr endgültiges Verhalten steuert. Es ist daher
zumindest bis zu einem gewissen Grade erforderlich, die Primär
flüssigkeit an die gewählte Sekundärflüssigkeit anzupassen.
Beispielsweise haben sich bei Verwendung von chinesischer
Tusche als Sekundärflüssigkeit Mischungen aus Wasser (bis zu
etwa 80 Gew.-%) mit Glyzerin oder Äthanol (Rest bis 100%) als
besonders zweckmäßig erwiesen. Wenn man jedoch bei dem glei
chen System für den Primärstrahl reines Wasser oder eine Mi
schung aus 95% Wasser und 5% Glyzerin oder Alkohol verwendet,
wird der Misch-Strahl ungleichmäßig und ähnelt einem etwas
divergierenden Sprühnebel. Ein solcher Tröpfchen-Misch-Strahl
ist jedoch für eine qualitativ hochwertige Tintenstrahlauf
zeichnung nicht verwendbar.
Es ist zwar nicht in allen Einzelheiten geklärt, warum
der Zusatz einer kleineren Menge eines Bestandteils, wie
Glyzerin oder Alkohol zu der die Primärflüssigkeit in erster
Linie bildenden Wasser eine erhebliche Verbesserung der
Qualität des Tröpfchen-Misch-Strahles ergibt, eine mögliche
Erklärung ist jedoch die folgende: Man dürfte voraussetzen
können, daß der Mischvorgang, der eintritt, wenn der Primär
strahl 17 (Fig. 1 und 2) sehr schnell durch die dünne Schicht
19 aus der Sekundärflüssigkeit schießt, in einer sehr stark
turbulenten Schicht an der Außenseite des Primärstrahls ab
läuft. Die in dieser Oberflächenschicht erzeugte Turbulenz
kann so groß werden, daß der Tröpfchenbildungsvorgang erheb
lich gestört wird und selbst die Flugbahnen der einzelnen
feinen Tröpfchen in dem gebildeten Tröpfchen-Misch-Strahl
beeinflußt. Man kann dementsprechend annehmen, daß der Zusatz
einer mit Wasser mischbaren Flüssigkeit, wie Glyzerin, Äthyl
alkohol, einem höheren Alkohol, einem Polyglykol und dgl.,
die aus im Vergleich zu Wasser relativ großen Molekülen be
steht, im Effekt den Primärstrahl gegen solche übermäßigen
Oberflächenturbulenzen stabilisiert. Selbstverständlich soll
diese Erklärung nicht einschränkend ausgelegt werden und man
kann bei dem Verfahren gemäß der Erfindung irgendeine Primär
flüssigkeit verwenden, die, nachdem sie aus einer Düse unter
Druck ausgestoßen ist, einen Primärstrahl bildet, der nach
Durchlaufen der Sekundärflüssigkeit einen Misch-Strahl zu
bilden vermag, der in feine Tröpfchen zerfällt, welche für
eine Tintenstrahlaufzeichnung geeignet sind. Der Fachmann kann
Primärflüssigkeiten, die diesen Bedingungen genügen, ohne
viel Versuche ermitteln, also Primärflüssigkeiten, bei denen
keine so hohe Turbulenz entsteht, daß sich die Eigenschaften
(z. B. Gleichförmigkeit und Richtung der Flüssigkeitströpfchen)
des resultierenden Misch-Strahles in ungünstiger Weise ändern.
Im Gegensatz zur Rolle der Primärflüssigkeit hat die
Sekundärflüssigkeit in erster Linie die Aufgabe, eine Farbe
oder andere physikalische Eigenschaften zum Misch-Strahl aus
feinen Tröpfchen beizutragen. Bei Tintenstrahlschreibsystemen
wird daher die Sekundärflüssigkeit im allgemeinen eine flüssige
Tinte oder Registrierfarbe sein, die gewünschtenfalls feinver
teilte Pigmentteilchen enthält. Wenn in der Sekundärflüssigkeit
ein feinteiliges Material suspendiert ist, sollte dieses so
bemessen sein, daß die einzelnen Teilchen kleiner sind als
der Durchmesser der Düse, aus der die Primärflüssigkeit aus
gestoßen wird.
Die Primärflüssigkeit und die Sekundärflüssigkeit haben
vorzugsweise etwa die gleiche Viskosität und diese kann im
Bereich von der des Wassers, also etwa 1 mPas bis etwa 20 mPas
reichen.
Die Primärflüssigkeit 10 und die Sekundärflüssigkeit 15
sind offensichtlich nicht auf irgendwelche speziellen Flüssig
keiten beschränkt und die Sekundärflüssigkeit braucht nicht
notwendigerweise eine Tinte oder Farbe zu sein. Es kann also
z. B. vorteilhaft sein, als Sekundärflüssigkeit 15 ebenfalls
eine farblose Flüssigkeit zu verwenden, welche bei Mischung
mit der Primärflüssigkeit 10 des Primärstrahls 17 einen farbi
gen Misch-Strahl bildet, der eine Spur auf einer Empfangs- oder
Aufzeichnungsfläche erzeugt. Andererseits können die Flüssig
keiten 10 und 15 so gewählt sein, daß sie miteinander im Misch-
Strahl chemisch reagieren, entweder während sie zum Aufzeich
nungsträger wandern oder nachdem sie auf diesen aufgetroffen
sind. Die Spur kann dann die Form einer Schutzschicht auf der
Aufzeichnungsfläche haben. Eine auf diese Weise gebildete
dünne Schicht kann z. B. aus einer polymerisierten chemischen
Verbindung bestehen, die entsteht, wenn sich die Flüssigkeiten
10 und 15 miteinander mischen oder wenn die Mischung in Be
rührung mit dem Aufzeichnungsträger oder der Luft kommt.
Schließlich kann anstelle der Sekundärflüssigkeit 15 sogar
ein anderes fließfähiges Material (Fluid) z. B. ein feines
Pulver treten, da sich auch ein solches durch den flüssigen
Primärstrahl 17 beschleunigen und mit ihm mischen läßt, wenn
die Teilchengröße des Pulvers kleiner ist als der Durchmesser
des flüssigen Primärstrahls. Dies kann dadurch gefördert
werden, daß man das Pulver mittels eines geeigneten Luft
stromes in den fließfähigen Zustand bringt. Der Luftstrom
kann dabei entweder vertikal und in Richtung entgegengesetzt
der Schwerkraft durch das Pulver geblasen werden oder mit
einer Richtung die quer oder mit einer Querkomponente zur
Achse des Primärstrahls verläuft.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform eines Tintenstrahl
registriergerätes, das hinsichtlich der Erzeugung eines Misch
flüssigkeitsstrahles gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
arbeitet und eine Einrichtung gemäß einer Ausführungsform der
Erfindung enthält. Bei dem Gerät gemäß Fig. 3 wird ein Elektro
densystem zur Ein/Aus-Modulation des Misch-Strahles aus feinen
Flüssigkeitströpfchen 21
verwendet. Selbstverständlich
kann man statt dessen auch irgendein anderes System zur elektri
schen Steuerung von Flüssigkeitsstrahlen verwendet und zwei
typische Beispiele derartiger anderer Systeme sind in den
Fig. 16 und 17 dargestellt.
Das Gerät gemäß Fig. 3 enthält eine Hochdruckpumpe 25,
welche Primärflüssigkeit aus einem Vorratsbehälter 26 durch
ein Filter 27 und die Leitung 11 zur Düse 12 pumpt, aus der
der Primärstrahl 17 aus der Primärflüssigkeit austritt, wobei
in der oben beschriebenen Weise ein gefärbter Misch-Strahl
aus feinen Flüssigkeitströpfchen 21 entsteht. Die Leitung 11
ist so durch die Wand des Behälters 16 geführt, daß die Düse
12 sich innerhalb der Sekundärflüssigkeit befindet und ihr
Auslaß einen bestimmten Abstand von der Oberfläche 14 hat.
Der Mischstrahl 21 durchläuft dann ein System aus Elektroden
28 und 29 und hinterläßt auf einem Aufzeichnungsmedium 30,
z. B. einen Papierstreifen, eine Spur, wenn das Aufzeichnungs
medium 30 in Pfeilrichtung bewegt wird. Zur Modulation der
Spur, d. h. deren Einschalten bzw. Unterbrechen, wird zwischen
die als Steuerelektrode dienende Elektrode 28 und die Sekun
därflüssigkeit 15 im Behälter 16 ein elektrisches Signal von
einer Signalquelle 31 über einen Verstärker 32 gelegt. Bei
einer bevorzugten Anordnung wird hierzu eine Elektrode 33 in
die Tinte oder Sekundärflüssigkeit 15 eingetaucht. Anderer
seits kann der Behälter 16 auch aus einem elektrisch leit
fähigen Material bestehen und an die Stelle der Elektrode 33
treten. Die Tröpfchen 21 des Misch-Strahles werden,
elektrisch aufgeladen, wenn vom Verstärker 32 ein Signal von
einigen hundert Volt abgegeben wird, was zur Folge hat, daß
diese Tröpfchen durch ein elektrisches Feld, das durch eine
Hochspannungsquelle 34 zwischen den Elektroden 28 und 29
erzeugt wird, zur Steuerelektrode 28 hin abgelenkt werden.
Ein scharfkantiges Bauteil 35, das an der Elektrode 28 ange
bracht ist, verhindert, daß die geladenen Tröpfchen das Auf
zeichnungsmedium 30 erreichen.
Zur Konstanthaltung des Abstandes zwischen dem Auslaß 13
der Düse 12 und der Oberfläche 14 der Tinte oder Sekundär
flüssigkeit 15 wird von einem Vorratsbehälter 36 durch eine
Pumpe 37 und eine Leitung 38 mit konstantem oder steuerbarem
Durchsatz frische Sekundärflüssigkeit in den Behälter 16 ge
pumpt und dadurch der Durchmesser der Tröpfchen des Misch-
Strahles bestimmt und gesteuert. Hierzu kann die Förderlei
stung der Pumpe 37 derart gesteuert werden, daß das Niveau
der Sekundärflüssigkeit 15 im Behälter 16 im wesentlichen
konstant bleibt. Die Steuerung kann mittels eines üblichen
Flüssigkeitsstandgebers (nicht dargestellt) erfolgen, z. B.
mittels eines Drahtes, der in Berührung mit der Oberfläche 14
der Sekundärflüssigkeit 15 kommt, sobald deren Niveau eine
vorgegebene Höhe überschreitet. Andererseits kann das Flüssig
keitsniveau auch durch eine Überlaufröhre konstant gehalten
werden. Für einen schnellen Wechsel der Sekundärflüssigkeit
oder die Zufuhr einer Spülflüssigkeit können ein oder mehrere
Vorratsbehälter 39 mit entsprechenden Pumpen 40 über eine Lei
tung 41 und ein Mehrwegeventil 42 mit dem Behälter 16 verbunden
sein. Man muß in diesem Falle reversierbare Pumpen, z. B.
Schlauchquetschpumpen verwenden. Der Behälter 16 kann auch
nach Beendigung eines Aufzeichnungsvorganges in der gleichen
Weise entleert werden.
Zur Verbesserung der Qualität der Aufzeichnung wird der
Tröpfchenbildungsprozeß am Tröpfchenbildungspunkt 20 (Fig. 2)
vorzugsweise in bekannter Weise mit Hilfe von mechanischen
Schwingungen gesteuert. Diese können beispielsweise durch einen
piezoelektrischen Kristall 43 erzeugt werden, der an der Wand
des Behälters 16 angebracht ist und durch einen Oszillator 44
gesteuert wird. Die Anwendung einer mechanischen Schwingungs
bewegung ist jedoch für die Funktion des Registriergerätes
nicht wesentlich, sie verbessert lediglich in vielen Fällen
die Arbeitsweise des Gerätes, indem sie die Tröpfchengröße
verringert und die Tropfenbildungsfrequenz gleichmäßiger macht.
Bei vielen Anwendungen kann es nicht zweckmäßig oder
wünschenswert sein, den Sekundärflüssigkeitsbehälter 16 in
der in Fig. 3 dargestellten Art anordnen zu müssen. In den
Fig. 4 und 5 ist ein Beispiel einer Einrichtung dargestellt,
bei der auf die Mitwirkung der Schwerkraft bei der Erzeugung
der gewünschten Zuordnung von Düse und Sekundärflüssigkeit
verzichtet werden kann. Bei der Einrichtung gemäß Fig. 4 und 5
verhindern die Oberflächenspannungskräfte der Sekundärflüssig
keit deren Ausfließen aus einer kleinen Öffnung, solange der
hydrostatische Druck der Sekundärflüssigkeit nicht zu groß ist.
Bei dieser Ausführungsform der Erfindung tritt an die Stelle
des Behälters 16 der Fig. 3 ein Behälter 50, wie er in Fig. 4
dargestellt ist. Dieser Behälter 50, dessen Größe typischer
weise etwa 1 cm3 betragen kann, hat in seiner einen Seiten
wand ein Loch oder eine Öffnung 51 mit einem Durchmesser von
beispielsweise etwa 0,5 bis etwa 3 mm. Wenn der Behälter 50
mit der Sekundärflüssigkeit 15 beispielsweise soweit gefüllt
ist, daß der Flüssigkeitsspiegel nur geringfügig oberhalb des
oberen Randes der Öffnung 51 liegt, fließt die Sekundärflüssig
keit 15 durch die Öffnung nicht aus, sondern bildet dort in
folge ihrer Oberflächenspannung eine freie, zusammenhängende
Oberfläche bezüglich der umgebenden Luft. Der am besten ge
eignete hydrostatische Druck kann selbstverständlich auch
mittels einer Pumpe eingestellt werden, in diesem Fall kann
dann der Behälter 50 in allen Seiten mit Ausnahme der Öffnung
51 vollständig geschlossen sein.
Wenn die Düse 12 am Ende der Zuführungsleitung 11 für die
Primärflüssigkeit in unmittelbarer Nähe der freien Oberfläche
52 in der Öffnung 51 angeordnet ist, wie es in Fig. 4, 5 darge
stellt ist, und ein Strahl einer geeigneten Primärflüssig
keit in der oben erläuterten Weise erzeugt wird, tritt aus
der Öffnung 51 ein gefärbter Misch-Strahl 18 aus, der am
Tröpfchenbildungspunkt 20 spontan in einen Misch-Strahl aus
feinen Tröpfchen 21 zerfällt. Der Strahl aus der Primärflüssig
keit durchsetzt dabei eine dünne Schicht 49 aus der Sekundär
flüssigkeit oder Tinte, welche sich zwischen dem Auslaß 13 der
Düse und der freien Oberfläche 52 befindet. Wie im vorher be
schriebenen Falle kann der Tröpfchenbildungsmechanismus durch
mechanische Schwingungen gesteuert werden und, wie Fig. 8
zeigt, kann zu diesem Zwecke ein piezoelektrischer Kristall 53
mit einer Steueranordnung 54 vorgesehen sein.
Die dünne Schicht 49 (Fig. 5) aus der Sekundärflüssigkeit
kann typischerweise etwa 0,1 bis etwa 1 mm dick sein. Die dünne
Schicht der Sekundärflüssigkeit soll auf alle Fälle so sein,
daß die Geschwindigkeit des Primärstrahls um nicht mehr als
90% verringert wird und daß der Durchmesser der Tröpf
chen 21 nicht größer wird als etwa das Zehnfache des Innendurch
messers der Düse.
Da die Einrichtung gemäß Fig. 4 einen entsprechenden Misch
strahl liefert, wie die Einrichtung gemäß Fig. 1 und 2, kann
sie in der gleichen Weise in einem Tintenstrahlregistriergerät
verwendet werden. Ein Beispiel hierfür ist in Fig. 5 darge
stellt, bei der die übrigen Teile im wesentlichen denen der
Fig. 3 entsprechen. Bei dem Gerät gemäß Fig. 5 wird der Pri
märflüssigkeitsstrahl wieder dadurch erzeugt, daß die Primär
flüssigkeit mittels einer Pumpe 25 durch ein Filter 27 und
eine Leitung 11 zur Düse 12 gepumpt wird. Gleichzeitig wird
das Flüssigkeitsniveau im Behälter 50 mittels einer Pumpe 55
konstantgehalten, welche die Sekundärflüssigkeit von einem
Behälter 56 ansaugt. Bei der Einrichtung gemäß Fig. 5 ist das
Aufzeichnungsmedium 30 auf einer drehbaren Walze 57 angeordnet,
was eine andere Möglichkeit zeigt, das Aufzeichnungsmedium 30
oder eine Empfangsfläche rasch bezüglich des Misch-Strahles
aus den Tröpfchen 21 zu bewegen. Die Anordnung zur Steuerung
der feinen Tröpfchen des Misch-Strahles ist im wesentlichen die
gleiche wie in Fig. 4, es handelt sich um eine Ein/Aus-Modula
tionsvorrichtung, die durch ein elektrisches Signal von einer
Signalquelle 31 gesteuert ist und das Elektrodensystem aus den
Elektroden 28 und 29 enthält. Wie bereits erwähnt, kann man bei
der Einrichtung gemäß Fig. 4 bzw. gemäß Fig. 5 auch jede andere
geeignete Methode zur Steuerung eines Flüssigkeitsstrahls
durch elektrische Signale verwenden.
In den Fig. 6 bis 9 sind weitere Ausführungsformen der
Einrichtung gemäß der Erfindung und Betriebsarten für diese
Einrichtungen dargestellt. Während bei den Ausführungsformen
gemäß Fig. 1, 3 und 4 (sowie den noch zu beschreibenden Aus
führungsformen gemäß Fig. 11 bis 14) die dünne Schicht der
Sekundärflüssigkeit durch Eintauchen der Düse in ein Volumen
der Sekundärflüssigkeit gebildet wird, bildet die dünne Schicht
aus der Sekundärflüssigkeit bei den Ausführungsformen gemäß
Fig. 6 und 8 eine Flüssigkeitssäule zwischen zwei festen Flä
chen. In den Ausführungsformen gemäß Fig. 6 und 8 tritt je
weils der Primärstrahl 17 aus der Düse 12 aus und durchquert
die dünne Schicht aus der Sekundärflüssigkeit 15 unmittelbar
nach dem Verlassen der Düse. Der Primärstrahl tritt durch eine
Primärstrahleinlaßfläche 58 ein und der Misch-Strahl 18 bildet
sich an der anderen Seite an einer Misch-Strahl-Austrittsfläche
59 der Sekundärflüssigkeit 15. Die beiden Ausführungsformen
gemäß Fig. 6 und 8 unterscheiden sich nur in der Art der Bil
dung der relativ dünnen Flüssigkeitsschicht. In beiden Fällen
wird die Oberflächenspannung der Sekundärflüssigkeit ausge
nutzt. Bei der Einrichtung gemäß Fig. 6 tritt die Sekundär
flüssigkeit 15 aus einem Röhrchen 60 aus, das beispielsweise
einen Durchmesser von etwa 0,5 mm hat und an dessen oberen
Ende sich ein Meniskus 61 bildet. Anstelle der Röhre kann
andererseits auch zwei parallele Platten mit ebenen oder ge
bogenen Oberflächen verwenden. Fig. 7 zeigt eine andere Mög
lichkeit des Betriebes der in Fig. 6 dargestellten Einrichtung
zum Erzeugen der dünnen Schicht der Sekundärflüssigkeit, die
vom Primärstrahl 17 durchsetzt wird. Während die Düse 12 bei
Fig. 6 außerhalb des Meniskus 61 angeordnet ist, befindet sie
sich bei Fig. 7 innerhalb des Meniskus, so daß also auch hier
wieder mit in die Sekundärflüssigkeit eingetauchter Düse ge
arbeitet wird. Die beiden Betriebsarten unterscheiden sich
selbstverständlich hinsichtlich der Dicke d der Sekundär
flüssigkeitsschicht, wie in Fig. 6 und 7 schematisch darge
stellt und grob durch die Schichten 62 und 63 angedeutet ist.
Bei der Einrichtung gemäß Fig. 8 steigt die Sekundär
flüssigkeit 15 unter der Wirkung der Kapillarkräfte zwischen
zwei benetzten ebenen Platten 64 und 65 hoch, die mit vorge
gebener gegenseitiger Lage und einem gegenseitigen Abstand von
etwa 0,5 mm gehalten werden. In den beiden Platten sind zwei
axial fluchtende Öffnungen 66 und 67, die einen Durchmesser
von etwa 1 mm haben, vorgesehen. In den beiden Öffnungen 66
und 67 bildet die Sekundärflüssigkeit 15 freie Flüssigkeits
oberflächen 68 bzw. 69, die als Eintritts- bzw. Austritts
fläche dienen und zwischen sich eine dünne Schicht 70 der
Sekundärflüssigkeit einschließen. Der Primärstrahl 17 tritt
durch die Fläche 68 ein und der Misch-Strahl 18 tritt aus der
Sekundärflüssigkeit durch die andere Oberfläche 69 aus. Ver
gleichbar mit der Anordnung gemäß Fig. 6 und 7 kann die Ein
richtung gemäß Fig. 8 auch so betrieben werden, daß die Düse
12 teilweise in die Sekundärflüssigkeit hineinreicht und da
durch die Dicke d der Schicht 70 der Sekundärflüssigkeit ver
ringert wird. Selbstverständlich kann der erfindungsgemäße
Misch-Strahl auch unter Verwendung anderer Konfigurationen
und Einrichtungen erzeugt werden. Man kann auch mit mehreren
oder vielen nahe benachbarten Misch-Strahlen arbeiten. Bei
solchen Anordnungen können alle Primärstrahlen durch eine ge
meinsame Hochdruckpumpe gespeist werden und jedem Primärstrahl
kann eine andere Sekundärflüssigkeit zugeordnet sein.
Bei manchen Anwendungen der Tintenstrahltechnik wird ein
Tintenstrahl verwendet, dessen Richtung durch Hin- und Her
schwingen der Düse periodisch geändert werden kann.
Fig. 10 zeigt ein Beispiel einer
Einrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, die für
solche Anwendungen verwendet werden kann. Es hat sich nämlich
herausgestellt, daß die Richtung des Misch-Strahles praktisch
ausschließlich von der Richtung des Primärstrahles und prak
tisch nicht vom Winkel, den die Oberfläche der Primärflüssig
keit mit der Strahlachse bildet, abhängt. Wenn also die Rich
tung des Primärstrahles bei den Einrichtungen gemäß Fig. 1 bis
9 geändert wird, ändert sich die Richtung des Misch-Strahles
in entsprechender Weise. Dieses Phänomen wird bei der in Fig. 10
dargestellten Einrichtung ausgenutzt, bei der der Primärstrahl
17 aus einer Düse 72 ausgestoßen wird, deren Richtung mecha
nisch veränderbar ist. Die Sekundärflüssigkeit befindet sich
in einem Behälter 73 ähnlich dem gemäß Fig. 8. In der einen
Seite des Behälters 73 ist ein Schlitz 74 eingeschnitten,
durch den der Primärstrahl 17 in die Sekundärflüssigkeit 15
eintreten kann. Der Primärstrahl durchquert die Sekundär
flüssigkeit dann in der Richtung der Düse 72 und der dabei
entstehende Misch-Strahl tritt dann durch einen entsprechen
den, in Fig. 10 nicht sichtbaren Schlitz auf der anderen
Seite des Behälters 73 aus. Die beiden Schlitze sind in ganz
entsprechender Weise angeordnet, wie die Öffnungen 66 und 67
in Fig. 8 und sie müssen eine solche Größe und Konfiguration
haben, daß die Oberflächenspannung der Sekundärflüssigkeit
frei, im wesentlichen parallele Oberflächen 75 bilden kann,
die zwischen sich die erforderliche dünne Schicht der Sekun
därflüssigkeit einschließen.
Für viele Anwendungen sind die in den Fig. 1, 4, 6 und 8
dargestellten Einrichtungen zum Erzeugen des Misch-Strahles
ausreichend. Wenn jedoch an die Qualität der Tintenstrahl
aufzeichnung besonders hohe Anforderungen gestellt werden,
sind der Betrieb und die Wartung dieser Einrichtungen nicht
einfach. Die Menge der Sekundärflüssigkeit, die bei der Bildung
des Misch-Strahles von der Primärflüssigkeit mitgerissen und mit
dieser gemischt wird, hängt vom Abstand zwischen dem Auslaß der
Düse und der Oberfläche der Sekundärflüssigkeit, d. h. von der
Dicke der vom Primärstrahl durchquerten dünnen Flüssigkeits
schicht ab. Kleine Änderungen der Schichtdicke können zu er
heblichen Änderungen sowohl des Durchmessers der feinen Tröpf
chen des Verbund-Strahles als auch der Geschwindigkeit, mit
der die Tröpfchen auf die Empfangsfläche oder den Aufzeich
nungsträger auftreffen, führen. Die Änderungen des Tröpfchen
durchmessers haben entsprechende Änderungen der Menge und
Intensität der auf die Empfangsfläche aufgebrachten Farbe zur
Folge und die Änderung der Tröpfchengeschwindigkeit kann die
Registerhaltigkeit der erzeugten Kopie beeinflussen. Da es bei
den beschriebenen Einrichtungen schwierig ist, die Dicke der
Sekundärflüssigkeitsschicht genau konstant zu halten, ist es
dementsprechend auch schwierig, Schwankungen der obenerwähnten
Art zu vermeiden.
Bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 11 bis 14 werden diese
Schwierigkeiten dadurch vermieden, daß man mit einer konstanten
Strömung der Sekundärflüssigkeit arbeitet. Die Einrichtung ist
in Fig. 11 im eingeschalteten und in den Fig. 13 und 14 im
ausgeschalteten Zustand dargestellt. Wie aus der Querschnitts-
bzw. Stirnansicht gemäß Fig. 11 bzw. 12 ersichtlich ist, ent
hält diese Einrichtung zum Erzeugen eines Misch-Strahles eine
Kapillare 80 für die Primärflüssigkeit, die als Teil der Zu
führungsleitung für die Primärflüssigkeit dient und in einer
Düse 81 endet. Die Kapillare 80 ist in einer Hülse 82 ange
ordnet und reicht mit ihren beiden Enden über diese hinaus.
Das vordere Ende der Hülse 82 ist vorzugsweise bis auf eine
kleine Öffnung geschlossen, durch die sich die Kapillare 80
erstreckt und in der sie fest bezüglich der Einrichtung ge
haltert ist. Die Hülse 82 ist ihrerseits in einem pistolen
artig geformten, zur Zuführung der Sekundärflüssigkeit dienen
den Körper 83 montiert, der durch sich senkrecht schneidende
Röhren 84 und 85 gebildet ist und einen Einlaßkanal 86 sowie
einen Auslaßkanal 87, die sich schneiden, bilden. Die Hülse 82
erstreckt sich durch die Wand des Körpers 83, fluchtet axial
mit dem Auslaßkanal 87 und bildet mit dessen Wand einen engen
ringförmigen Zwischenraum 88, der die Kanäle 86 und 87 verbin
det. Die Hülse 82 endet kurz vor dem Auslaßende 89 der Röhre
85, so daß dort ein Endraum 90 für die Sekundärflüssigkeit
gebildet wird. Die Flüssigkeit in diesem Raum bildet unter der
Wirkung der Oberflächenspannung eine freie Oberfläche 91. Die
Kapillare 90 reicht über das Ende der Hülse 82 soweit hinaus,
daß sich zwischen dem Ende der Düse 81 und der freien Ober
fläche 91 eine dünne Schicht gewünschter Größe der Sekundär
flüssigkeit bildet.
Die Sekundärflüssigkeit wird dem Einlaßkanal 86 über eine
Leitung 92, z. B. ein Rohr oder einen Schlauch zugeführt, mit
der eine Pumpe konstanter Förderleistung, z. B. eine Schlauch
quetschpumpe verbunden ist. Da das Einlaßrohr 84 mit einer
Leitung in Verbindung stehen muß und diese Leitung normaler
weise einen flexiblen Schlauch enthält oder aus einem solchen
besteht, der Bewegungen der Erschütterungen unterliegt, können
sich Druckwellen durch die Sekundärflüssigkeit zur Düse aus
breiten, wenn diese Druckwellen nicht gedämpft werden. Bei Ver
wendung bestimmter Pumpentypen, z. B. Schlauchquetschpumpen,
können ebenfalls unerwünschte Druckschwankungen entstehen.
Solche Druckschwankungen treten sofort in Änderungen des
Strahldurchmessers und der Tröpfchengeschwindigkeit in Er
scheinung. Um die Ausbreitung solcher Druckschwankungen zu
vermeiden, wird der ringförmige Zwischenraum 88 so eng ge
macht, daß die Druckschwankungen gedämpft und geglättet wer
den. Die Dämpfungswirkung des durch den ringförmigen Zwischen
raum 88 gebildeten engen Kanals wird ferner durch ein Luft
polster 93 unterstützt, das sich am oberen Ende des Einlaß
kanals 86 befindet und eine Steuerung des auf die Sekundär
flüssigkeit einwirkenden Druckes ermöglicht.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 11 und 12 können
beispielsweise folgende Abmessungen verwendet werden, die je
doch nicht einschränkend auszulegen sind. Die Kapillare kann
einen Innendurchmesser von 100 µm haben, in einer Düse mit
einem Auslaßdurchmesser von 15 µm enden und in einer Metall
hülse mit einem Außendurchmesser von 0,8 mm montiert sein.
Der Durchmesser des Auslaßkanals 87 kann 1,0 mm betragen,
so daß sich ein ringförmiger Zwischenraum 88 von 0,1 mm ergibt.
Die Länge des durch den Zwischenraum 88 gebildeten Kanals
kann etwa 4 mm betragen. Wenn eine Primärflüssigkeit aus
80 Gew.-% Wasser und 20 Gew.-% Glyzerin unter einem Druck von
etwa 4,9 MPa durch die Kapillare 80 geleitet wird
und eine Schicht aus chinesischer Tusche durchsetzt, die etwa
0,2 mm dick ist und mit einem Durchsatz von etwa 5 mm3 pro
Sekunde gefördert wird, entsteht ein Misch-Strahl aus feinen
Tröpfchen mit einem mittleren Durchmesser von 50 µm.
Fig. 13 zeigt eine Abwandlung der Einrichtung gemäß
Fig. 11 und 12. Bei dieser Abwandlung enthält die Dämpfungs
vorrichtung ein poröses Material 95, das den Zwischenraum
zwischen der Hülse 82 und der den Auslaßkanal 87 begrenzenden
Wand angeordnet und in diesem durch ein durchbrochenes Bau
teil, wie ein Netz oder Gitter 96 gehalten wird. Bei dieser
abgewandelten Ausführungsform kann der Abstand zwischen der
Hülse 82 und der Wand des Auslaßkanals größer gemacht werden
als bei der Einrichtung gemäß Fig. 11, bei der die Dämpfung
in erster Linie durch die enge Bemessung des ringförmigen
Zwischenraumes 88 bewirkt wird.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 14 kann der Durchmesser
des Misch-Strahles und damit der der feinen Tröpfchen geändert
werden. Hierzu wird der auf die Sekundärflüssigkeit im Auslaß
kanal 87 wirkende Druck geändert. Ein Beispiel einer hierfür
geeigneten Vorrichtung ist ein Kolben 97 aus Magnetmaterial,
der sich in einem Zylinder 98 unter der Wirkung eines Elektro
magneten 99 bewegt, der seinerseits durch eine Spule 100 er
regt wird, die mit einer Leistungsquelle 101 verbunden ist.
Der Kolben 97 wirkt auf die Luft im Luftpolster 93 und ver
größert bzw. verringert dadurch den Druck der Sekundärflüssig
keit in den Kanälen 88 und 87. Der maximale Druck wird dabei
selbstverständlich kleiner als der Druck gehalten, bei welchem
die die Sekundärflüssigkeit im Auslaßkanal 87 haltenden Ober
flächenspannungskräfte überwunden werden. Bei der Abwandlung
gemäß Fig. 14 wird der ringförmige Zwischenraum 88 etwas größer
sein als bei der Ausführungsform gemäß Fig. 11. Die Frequenz,
mit der der Magnet 99 erregt wird, kann in einem weiten Be
reich bis zu etwa 1000 Hz liegen. Man kann sogar mit noch
höheren Frequenzen arbeiten, indem man anstelle des Kolbens
97 eine piezoelektrische Vorrichtung verwendet.
Durch Ände
rung der Frequenz kann die Dicke der Schicht aus der Sekundär
flüssigkeit geändert werden, was wiederum den Durchmesser der
Tröpfchen und damit die Dichte der aufgezeichneten Spur ent
sprechend beeinflußt. Dies kann bewirkt werden während die
Frequenz der Tröpfchenbildung im wesentlichen konstant bleibt.
Schließlich kann die Hülse 82 entfallen, insbesondere bei
den Ausführungsformen gemäß Fig. 13 und 14, bei denen die
Größe des ringförmigen Zwischenraumes 88 im Auslaßrohr 85
weniger kritisch ist. Die Hülse 82 hat in erster Linie die
Aufgabe, die Kapillare 80 zu schützen und zu haltern sowie den
durch den ringförmigen Zwischenraum 88 gebildeten Kanal zu
definieren.
In den Fig. 15 und 16 ist schematisch die Verwendung eines
Misch-Strahl-Gerätes gemäß der Erfindung in einem Tintenstrahl
registriersystem dargestellt.
Die in den Fig. 15 und 16 dargestellte Einrichtung zum
Erzeugen des Misch-Strahles entspricht der gemäß Fig. 11.
Selbstverständlich kann man auch andere Ausführungsformen der
Erfindung verwenden. In Fig. 15 haben entsprechende Bauteile
die gleichen Bezugszeichen wie bei den Einrichtungen gemäß
Fig. 5 und 11.
Bei dem Registriergerät gemäß Fig. 15 wird die Primär
flüssigkeit von einem Vorratsbehälter 26 durch eine Pumpe 25,
eine Leitung 11 und ein Filter 27 der Kapillare zugeführt.
Bei dieser Einrichtung ist in der Leitung 11 eine Elektrode 102
angeordnet, so daß hier die Primärflüssigkeit aufgeladen bzw.
an Spannung gelegt wird und nicht wie bei Fig. 3 und 5 die
Sekundärflüssigkeit. Man kann also entweder die Primärflüssig
keit oder die Sekundärflüssigkeit aufladen. Die Sekundärflüssig
keit wird von einem Vorrat 56 durch eine Pumpe 55 und eine Lei
tung 92 dem Einlaßkanal 86 der Einrichtung zum Erzeugen des
Misch-Strahles zugeführt. Die Einrichtung liefert feine, ge
färbte Tröpfchen 21, die den Misch-Strahl bilden, und ihr
Auftrag wird in der oben beschriebenen Weise gesteuert.
Bei dem Tintenstrahlregistriergerät gemäß Fig. 16 wird die
Primärflüssigkeit von einem Vorrat 105 durch eine Pumpe 106
in eine Zuführungsleitung 107 und von dieser in ein Zufüh
rungsrohr 108 gefördert, welches in einer Düse 109 endet.
Auf dem Zuführungsrohr 108 ist eine Antriebsvorrichtung 110
mit einer Triebspule 111 montiert, um eine schwingende Be
wegung zu bewirken sowie die Bildung und Masse der feinen
Tröpfchen zu steuern. Die Antriebsvorrichtung kann statt dessen
auch einen piezoelektrischen Kristall enthalten. Die Sekundär
flüssigkeit wird von einem Vorrat 112 durch eine Pumpe 113
und eine Leitung 114 in die den Misch-Strahl liefernde Ein
richtung 83 gefördert. Die Sekundärflüssigkeit und damit die
feinen Tröpfchen werden beim Durchlaufen einer Ladeelektrode
115 aufgeladen, die von einer Signalquelle 31 über einen Ver
stärker 32 gespeist wird. In Strahlrichtung hinter der Lade
elektrode 115 sind parallele, im Abstand voneinander ange
ordnete Ablenkelektroden 117 und 118 vorgesehen, zwischen
denen mittels einer Spannungsquelle 34 ein konstantes elektri
sches Feld erzeugt wird. Die Größe dieses Feldes bestimmt die
Anordnung der einzelnen geladenen Tröpfchen 119 auf einem
Empfangsblatt 120. Wie im Falle der Tintenstrahlregistrier
geräte gemäß Fig. 5 und 15 werden auch bei dem Tintenstrahl
registriergerät in Fig. 16 wegen der Möglichkeit, eine teil
chenfreie Primärflüssigkeit und eine teilchenhaltige Sekundär
flüssigkeit zu verwenden, die Probleme hinsichtlich einer Ver
stopfung der Düse erheblich verringert und die Anforderungen
an die Aufzeichnungsflüssigkeiten erheblich verringert.
Claims (32)
1. Verfahren zum Erzeugen eines feinen Flüssigkeitsstrah
les insbesondere für einen Flüssigkeitsstrahldrucker,
bei welchem ein Strahl ("Primärstrahl") aus einem
ersten Fluid ("Primärflüssigkeit") aus einer engen
Düse durch eine Schicht aus einem zweiten Fluid ("Sekun
därflüssigkeit"), das eine andere Zusammensetzung
hat als das erste Fluid, hindurch unter Bildung des
feinen Flüssigkeitsstrahles ("Sekundärstrahl") über
eine der Düsenfläche der engen Düse gegenüberliegenden
Austrittsfläche ausgestoßen wird, dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Fluide miteinander mischbar sind und
der Sekundärstrahl (18) aus einer Mischung der beiden
Fluide besteht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß als Primärflüssigkeit (10) eine Mischung aus
Wasser und mindestens einer mit Wasser mischbaren
Flüssigkeit, die ein größeres Molekulargewicht als
Wasser hat, verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Wasser bis zu 80 Gew.-% der Primärflüssigkeit
(10) ausmacht.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die mit Wasser mischbare Flüssigkeit
mindestens zum Teil aus Glyzerin, Ethanol, einem
höheren Alkohol oder einem Polyglykol besteht.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch
gekennzeichnet, daß eine farblose und pigmentfreie
Primärflüssigkeit (10) verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß als Sekundärflüssigkeit
(15) eine flüssige Farbe oder Tinte verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Sekundärflüssigkeit (15) ein
fein verteiltes Pigmentmaterial enthält, dessen Teilchen
kleiner sind als der Innendurchmesser der verwendeten
Düse (12, 72, 81, 109).
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (Strecke d)
der durch die Sekundärflüssigkeit (15) gebildeten
dünnen Schicht (19, 49, 61) die Geschwindigkeit des
aus der Düse (12, 72, 81, 109) austretenden Primär
strahles (17) um nicht mehr als 90% verringert und
der Sekundärstrahl (18) in feine Tröpfchen zerfällt,
deren Durchmesser nicht größer als etwa das Zehnfache
des Innendurchmessers der Düse (12, 72, 81, 109)
ist.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der auf die Sekundärflüssigkeit (15) wirkende
Druck gesteuert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß der Flüssigkeitsdruck im Zuge der Steuerung perio
disch geändert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die eine Strecke d (Dicke) aufweisende Schicht
(19, 49, 61) der Sekundärflüssigkeit (15) durch eine
Flüssigkeits-Säule gebildet wird, der sich zwei im
wesentlichen stationäre Oberflächen zuordnen lassen,
von denen die eine als Primärstrahleintrittsfläche
und die andere als Sekundärstrahlaustrittsfläche
dient.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die Eintritts- und die Austrittsfläche einander
gegenüberliegend auf der Oberfläche eines Meniskus
(61) der Sekundärflüssigkeit (15) vorgesehen werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß die Eintritts- und die Austrittsfläche innerhalb
axial fluchtender Öffnungen (66, 67) in im Abstand
voneinander angeordneten Platten (64, 65) gebildet
und durch die Oberflächenspannung, die auf die Sekundär
flüssigkeit (15) wirkt, aufrechterhalten werden.
14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Primärflüssigkeit (10) und die Sekundärflüssig
keit (15) chemisch reaktionsfähig sind.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,
daß die Primärflüssigkeit (10) und die Sekundärflüssig
keit (15) miteinander unter Erzeugung einer gewünschten
Farbe reagieren.
16. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach
Anspruch 1, mit einer feinen Düse (12; 72; 81; 109)
zum Ausstoßen eines Primärstrahles (17) aus einer
Primärflüssigkeit (10) und mit einer Vorrichtung
(16; 50; 60; 64, 65; 73; 83; 125, 137) zum Bilden
einer dünnen Schicht (19; 49; 61), welche aus
einer Sekundärflüssigkeit (15) anderer Zusammensetzung
als die Primärflüssigkeit (10) besteht, welche vor der
Mündung (13) der Düse (12; 72; 81; 109) angeordnet ist und welche eine
der Düsenmündung entgegengesetzte freie Oberfläche
(14; 52; 59; 69; 91) hat, aus der ein Sekundärstrahl
(18) auszutreten vermag, der aus dem Primärstrahl (17)
und von diesem mitgerissener Sekundärflüssigkeit
(15) besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die den
Primärstrahl (17) bildende Primärflüssigkeit (10)
und die die dünne Schicht (19, 49, 61) bildende Sekundär
flüssigkeit (15) miteinander mischbar sind, und daß
der aus der freien Oberfläche (15; 62; 59; 69; 91) der dünnen Schicht
(19, 49, 61) austretende Sekundärstrahl (18) aus
einer Mischung der Primär- und der Sekundärflüssig
keit besteht, wobei die freie Oberfläche (14; 52;
59; 69; 91) einen größeren Querschnitt hat als die
Mündung (13) der Düse (12; 72, 81; 109).
17. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung zum Bilden der dünnen Schicht
(19) einen Behälter (16) aufweist, der
die Sekundärflüssigkeit (15) enthält, und
der über eine Öffnung verfügt, an der sich die freie Ober
fläche (14) der Sekundärflüssigkeit (15) ausgebildet und in deren
nahem Abstand der Düse (12) mit ihrer Mündung (13)
gehaltert ist.
18. Einrichtung nach Anspruch 17, gekennzeichnet
durch eine Anordnung, die die Oberfläche (14) in
einem konstanten Abstand (d) bezüglich der Düsenmündung (13)
hält.
19. Einrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeich
net, daß die Anordnung zur Konstanthaltung des Abstands (d) Ober
fläche (14) bezüglich der Düsenmündung (13) eine Vorrichtung (37)
zum Einspeisen der Sekundärflüssigkeit (15) in den Behälter (16)
mit gesteuerter Strömungsrate enthält.
20. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung zum Bilden einer dünnen Schicht (49)
einen mit der Sekundärflüssigkeit (15) gefüllten
Behälter (50) mit einer Öffnung (51) umfaßt, in der sich
durch die Oberflächenspannung der Sekundärflüssigkeit (15)
die als Austrittsfläche für den Sekundärstrahl (19) dienen
de freie Oberfläche (52) ausbildet.
21. Einrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeich
net, daß die Vorrichtung zum Bilden der dünnen Schicht (49)
einen mit der Sekundärflüssigkeit (15) gefüllten
Behälter (50) enthält, dessen Seitenwand eine Öffnung
(51) aufweist, die größer als die Mündung (13) der
Düse (12) und so bemessen ist, daß die Sekundärflüssig
keit (15) infolge ihrer Oberflächenspannung an einem
Ausfließen aus der Öffnung (51) gehindert wird, und
daß die Mündung (13) der Düse in der Sekundärflüssig
keit (15) im Abstand der Dicke (Strecke d) der dünnen Schicht (49)
von dem sich in der Öffnung (51) bildenden freien
Oberfläche (52) der Sekundärflüssigkeit angeordnet
ist.
22. Einrichtung nach Anspruch 20 oder 21, gekennzeich
net durch eine Vorrichtung (55), die die Strömung der
Sekundärflüssigkeit (15) zur Öffnung (51) und damit die
Dicke (Strecke d) der dünnen Schicht (49) zwischen der Düsenmündung (13)
und der freien Oberfläche (52) auf einem vorgegebenen
Wert hält.
23. Einrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeich
net, daß die Vorrichtung (55) zur Konstanthaltung der
Strömung eine Peristaltikpumpe sowie einen engen
Strömungskanal zwischen der Peristaltikpumpe und
der dünnen Schicht (49) enthält.
24. Einrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeich
net, daß dem engen Strömungskanal eine Vorrichtung
zum Dämpfen von Druckschwankungen zugeordnet ist.
25. Einrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeich
net, daß der Behälter (64, 65; 73) eine zweite Öffnung
(66, 74) aufweist, in der sich unter der Wirkung
der Oberflächenspannung der Sekundärflüssigkeit (15) eine
zweite freie Oberfläche (68, 75) bildet, und daß
die Düse (12; 72) so angeordnet ist, daß der aus ihr austretende
Primärstrahl (17) durch die zweite freie Oberfläche (68; 75) in
die Sekundärflüssigkeit (15) ein und aus der ersten
freien Oberfläche (69) aus der Sekundärflüssigkeit (15)
austritt.
26. Einrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeich
net, daß die Öffnungen (66; 67) schlitzförmig sind und die
Düse (72) schwenkbar vor der zweiten Öffnung (74)
angeordnet ist.
27. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich
net, daß die Vorrichtung zur Bildung der dünnen Schicht
der Sekundärflüssigkeit enthält:
- a) eine Quelle (56, 112) für die Sekundärflüssigkeit;
- b) einen Sekundärflüssigkeitseinlaßkanal (92, 114);
- c) einen Sekundärflüssigkeitszufuhrkanal (88, 89) solcher Abmessungen und Konfigurationen, daß sich unter der Wirkung der Oberflächenspannung über ihn eine kontinuierliche Oberfläche (91) der Sekundär flüssigkeit bildet, die als Grenze für die dünne Schicht dient;
- d) eine Primärflüssigkeitszuführungsvorrichtung, die sich in den Sekundärflüssigkeitszufuhrkanal erstreckt, in der Düse (81) endet und so angeordnet ist, daß der Auslaß der Düse sich im Abstand von der kontinuierlichen Oberfläche (91) befindet, welcher gleich der vorgegebenen Dicke der dünnen Schicht ist;
- e) eine Hülsenanordnung (82), die die Primärflüssig keitszuführungsvorrichtung umgibt und haltert, kurz vor der Düse endet und im Sekundärflüssig keitszufuhrkanal (88, 89) ein Flüssigkeitsendvolumen, das in der kontinuierlichen Oberfläche endet sowie einen Flüssigkeitskanal (88) verringerten Quer schnitts, welcher den Flüssigkeitseinlaßkanal und das Flüssigkeitsvolumen verbindet, begrenzt; und
- f) eine Pumpanordnung, die die Sekundärflüssigkeit von der Quelle (56; 112) zu dem Flüssigkeitseinlaßkanal fördert.
28. Einrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeich
net, daß ein Flüssigkeitsdruckpuffervolumen (86)
vorgesehen ist, welches den Druck der Sekundärflüssig
keit im Zufuhrkanal konstant hält.
29. Einrichtung nach Anspruch 27, gekennzeichnet
durch eine Vorrichtung zum periodischen Ändern des
auf die Sekundärflüssigkeit im Zufuhrkanal einwirkenden
Druckes und damit zum Verschieben der Lage der konti
nuierlichen Oberfläche bezüglich des Auslasses der
Düse und zum Ändern der Dicke der dünnen Schicht.
30. Einrichtung nach Anspruch 27, gekennzeichnet
durch eine Vorrichtung zum Dämpfen von Druckwellen
der Sekundärflüssigkeit im Zufuhrkanal.
31. Einrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet,
daß die Dämpfungsvorrichtung aus einem Strömungskanal
(88) verringerten Querschnitts besteht.
32. Einrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet,
daß die Dämpfungsvorrichtung ein poröses Medium (95)
enthält, das in einem Strömungskanal verringerten
Querschnitts angeordnet ist.
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