DE2736254A1

DE2736254A1 - Breitband-tintenstrahlmodulator

Info

Publication number: DE2736254A1
Application number: DE19772736254
Authority: DE
Inventors: Kenneth T Lovelady; John T White
Original assignee: Recognition Equipment Inc
Current assignee: Recognition Equipment Inc
Priority date: 1976-08-12
Filing date: 1977-08-11
Publication date: 1978-02-16
Also published as: GB1558229A; JPS5340525A; NL7708944A; US4032928A; FR2361161A1

Description

PATENTANWALT DIPL.-INQ. 8000 MÖNCHEN 22

GEWORZMOHU POSTFACH 246

KARL H. WAGNER GEWORZMOHLSyeSB g 2 5 A

11. August 1977 77-V-2879

RECOGNITION EQUIPMENT INCORPORATED, Dallas, Texas, V.St.A.

Breitband-Tintenstrahlmodulator

Die Erfindung bezieht sich auf Tintentropfen-Erzeugungssysteme, und zwar insbesondere auf einen Tintenstrahlmodulator, der derart dimensioniert ist, daß er gleichmäßige Eigenschaften über ein weites Frequenzband hinweg aufweist.

Bei den bekannten Tintenstrahldruckern sendet eine Tintenstrahlkanone geladene Tintentröpfchen aus, die zur Bildung eines Informationsmusters auf einer sich bewegenden Dokumentenoberfläche abgelenkt werden. Wenn sich die Transportgeschwindigkeit ändert, so ist es notwendig, eine entsprechende Änderung in der Tropfenrate oder Tropfenfrequenz vorzusehen. Typische Modulationssysteme des Standes der Technik sind in den folgenden US-Patenten beschrieben: 3 927 410, 3 871 004, 3 848 118, 3 787 884 und 3 747 120.

Bislang wurden mit Tintenstrahldruckern in Verbindung stehende Tintenmodulatoren elektromechanisch auf eine bestimmte Tropfenrate abgestimmt. Jegliche Abweichung von der Resonanzfrequenz im Betrieb hatte eine Verschlechterung des Modulatorwirkungsgrades zur Folge. Nicht tolerierbare Änderungen geschehen im Abstand zwischen einer Düse und einem Tropfenabbrechpunkt. Veränderungen im Abstand des Abbrechpunktes von der Düse

809807/0832

TELEFON: (OW 2» 1627 TELEQRAMM: PATLAW MÖNCHEN TELEX: S-OMipatwd

beeinflussen die Tropfenladefunktion. Ein Druck schlechter Qualität ist dabei die Folge. Bekannte Modulatorsysteme kennzeichnen sich auch durch eine deutliche Empfindlichkeit gegenüber Temperaturänderungen und die Neigung, um den Haupttintenstrahlstrom herum Satelitentropfen zu erzeugen.

Bei bekannten auf eine spezielle Tropfenfrequenz abgestimmten Systemen ergaben Änderungen der Tropfenrate im Hinblick auf eine Änderung der Transportgeschwindigkeit eine Verschlechterung der Druckqualität.

Bei der Entwicklung von Mehrfachdüsenausbildungen sind komplexe Systeme mit mehrfachen Wandler-Membran-Kombinationen erforderlich. US-PS 3 708 798 beschreibt einen Mehrfachdüsendrucker mit einer Vielzahl von piezoelektrischen Wandlern, die an einer gleichen Vielzahl von Membranen befestigt sind, die Tinte zu einem Satz von Düsen hin pulsieren. US-PS 3 9OO 162 zeigt eine Tintenkanone mit einer rautenförmigen Tintenkammer, welche Mehrfach-Zumeßöffnungen beliefert, um Tröpfchen zu annähernd der gleichen Zeit und mit einem nahezu gleichförmigen Abstand gegenüber den Zumeßöffnungen zu erzeugen. Die rautenförmige Kammer ist längs ihrer Diagonale durch ein Schwingungs- oder Vibrationsglied unterteilt und besitzt eine Vielzahl von an einer Seite des Glieds befestigten Wandlern. Wie bei den bekannten Einzeldüsenausbildungen wird eine Empfindlichkeit gegenüber Temperatur- und Druckänderungen erschwert durch eine Verschiebung der Tropfenfrequenzen von einem schmalen Betriebsbereich um die abgestimmte Modulatorfrequenz. Es treten dann Druckfehler auf und Versuche, eine gleichförmige Druckqualität an jeder der Vielfachdüsen vorzusehen, kommen durch Zufallsverschiebungen im Abstand von der Düse des Abbrechpunktes zum Scheitern.

Die vorliegende Erfindung sieht einen Breitband-Tintenstrahlmodulator vor, der zuverlässige Betriebscharakteristika über

809807/0832

ein breites Baud von Tropfenfrequenzen hinweg aufweist. Über den Betriebsbereich hinweg kann das Auftreten von Satelitentröpfchen im wesentlichen eliminiert werden, und Änderungen hinsichtlich der Temperatur, des Tintendrucks und der Tröpfchenraten können ohne Verschlechterung der Druckqualität berücksichtigt werden. Ferner können Mehrfach-Zumeßöffnungen bedient werden, ohne den einfachen Aufbau noch den effizienten Betrieb des Modulators aufzugeben.

Zusammenfassung der Erfindung. Ein Tintenstrahlmodulator umfaßt einen integrierten Aufbau, in dem ein elektrischer Wandler innerhalb einer Halterung sitzt und an den Kanten akustisch entkoppelt ist. Eine dünne Membran (Diaphragm) ist benachbart zum Wandler angeordnet. Ein kurzer hohler Zylinder bildet eine Tintenkammer axial ausgerichtet mit dem Wandler und angeordnet auf der Seite der Membran entgegengesetzt zum Wandler. Eine Düsenplatte verschließt die Tintenkammer.

Die Abmessungen der Halterung, des Kristalls, der Membran, des Zylinders und der Düsenplatte sind klein bezüglich der Wellenlänge der kürzesten stehenden akustischen Longitudinalwelle, die in einem Gebilde aus dem gleichen Material wie der in Rede stehende Teil entstehen kann. Die körperlichen Gesamtabmessungen des integrierten Modulatorgebildes sind in gleicher Weise klein. Dadurch sind die mechanischen Resonanzfrequenzen oberhalb des Betriebsfrequenzbandes. Infolgedessen ist der Abbrechpunkt über den Betriebsbereich hinweg steuerbar bzw. kontrollierbar. Eine beträchtlich erhöhte Toleranz gegenüber Änderungen der Tropfenrate, der Temperatur und des Tintendruckes ist dadurch vorgesehen. Darüber hinaus wird der Tintenstrahlstrom im wesentlichen frei von Satelitentropfen.

Gemäß einem weiteren Aspekt besitzt ein Modulator mit einem einzigen Wandler und einer einzigen Membran Mehrfachdüsen, um über ein breites Band von Hochfrequenz-Tintentropfenraten hinweg zu arbeiten. Dadurch werden parallele Tintenströme erzeugt, die im wesentlichen zur gleichen Zeit und bei einem nahe-

809807/0832

zu gleichförmigen Abstand gegenüber den Düsen in Tröpfchen zerlegt werden.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Tintenmodulators;

Fig. 2 eine perspektivische Explosionsansicht des Tintenmodulators der Fig. 1;

^ig. 3 eine Seitenexplosionsansicht des Tintenmodulators der Fig. 1;

Fig. 4 eine Draufsicht von hinten auf die Vorderplatte des Tintenmodulators der Fig. 1 ;

Fig. 5 ein Funktionsblockdiagramm eines Tintendrucksystems mit dem Tintenmodulator der Fig. 1;

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Frequenz-Druck-Betriebskennlinien des Tintenmodulators der Fig. 1;

Fig. 7 eine Darstellung einer mechanischen Resonanzwellenform;

Fig. 8 einen erfindungsgemäßen Mehrfachdüsenmodulator.

Es seien nunmehr bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. In Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Tintenmodulators 10 dargestellt. Eine L-förmige Halterung 11 besitzt durch Bolzen 15 an einer Stirnfläche befestigt eine dünne Membran, eine Tintenkammerscheibe 13 und

809807/0832

/11

eine vordere Düsenplatte 14. Mittig auf der Längsachse der Düscnplatte 14 ist eine Tintendüse 18 angeordnet, die im hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel aus Rubin besteht. Ein Wandlerantriebsleiter 19 erstreckt sich von der Halterung 11 aus. Ein zweiter Antriebsleiter 20 ist mit der Oberseite des Bodengliedes der Halterung 11 verbunden.

Iτι Betrieb läßt man Tinte in das Einlaßrohr 16 unter Druck eintreten, während das Spülrohr 17 geöffnet ist, um jedwedes Losungsmittel aus dem Modulator herauszuspülen. Sodann wird d^s Spülrohr 17 geschlossen und die Tinte tritt danach nur durc'· die Düse 18 aus.

Bei Fig. 2 handelt es sich um eine perspektivische Explosionsansicht des Tintenmodulators der Fig. 1, wohingegen Fig. 3 r-ine Explosionsseitenansicht wiedergibt.

In der Halterung 11 ist eine Vertiefung 21 ausgebildet, um einen Wandler 22 und eine scheibenförmige Elektrode 23 aufzunehmen. Der Wandler 22 ist vorzugsweise ein piezoelektrischer Kristall, der in der Longitudinalbetriebsart betrieben wird, und zwar bei einer Frequenz unterhalb seiner radialen und longitudinalen Resonanz. Der Wandler sitzt in einer Vertiefung 2* mit einem leitenden Epoxyharz, und ein Material mit niedriger akustischer Impedanz, wie beispielsweise ein Gußepoxyharz, ist au' die Kanten des Kristalls aufgebracht, um eine akustische Entkopplung von Radialschwingungen gegenüber der Halterung 11 vorzusehen. Ein leitendes Bindemittel wie beispielsweise Silberepoxyharz wird über den Stirnflächen des Kristalls aufgebracht. Die Elektrode 2 '■ wird sodann über dem Wandler 22 innerhalb der Vertiefung 21 angeordnet.

Die Membran 12 wird an der Elektrode 23 mit einem geeignete/. Klebemittel angeklebt. Ein Ende der Scheibe 13 wird in Berührung mit der Membran 12 angeordnet, um eine Mittelbohrung 13a abzuschließen und um dadurch ein Tintenreservoir oder einen Hohlraum zu bilden. In Berührung mit der Scheibe 13 an der entgcgen-

809807/0832

BAD ORIGINS

gesetzten Stirnfläche befindet sich eine Düsenplatte 14 mit oiner Düsenbohrung 24. Innerhalb der Düsenbohrung 24 sitzt die Düse Die Düsenplatte 14, die Scheibe 13 und die Membran 12 sind an der Halterung 11 mittels Bolzen 15 befestigt, welche durch Bohrungen 25a in cer Düsenplatte 14,durch die Bohrungen 25b in der Scheibe 13 und durch Bohrungen 25c in der Membran 12 verlaufen und in mit Gewinde versehenen Bohrungen 27 in der Halterung '1 enden.

Beim hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel bestehen Halterung 11 und Düsenplatte 14 aus rostfreiem Stahl, Elektrode besteht aus Messing und Membran 12 und Scheibe 13 bestehen aas Polytetrafluoräthylen (PTFE). Die Membran 12 ist an der Elektrode 23 mit einem PTFE-Kleber angeklebt. Die PTFE-und rostfreien Stahl-Materialien werden hier verwendet, weil sie chemisch passiv bezüglich der normalerweise verwendeten Tinten sind.

Der hier verwendete Ausdruck "Polytetrafluoräthylen (PTFE)" bezieht sich auf ein Polymer, welches durch Hochpolymerization von Tetrafluoräthylen hergestellt ist und gegenüber Alkalien, Säuren und Lösungsmitteln beständig ist. Es können auch andere Materialien mit ähnlichen chemischen Eigenschaften verwendet werden.

Bei Fig. 4 handelt es sich um eine Draufsicht auf die innere Stirnseite der Düsenplatte 14, und zwar von den Linien 4-4 der Fig. 3 aus gesehen. Tinteneinlaßrohr 16 ist durch Preßsitz innerhalb einer einspringenden Querbohrung 30 in der Düsenplatte ¹4 angeordnet. Der kleinere Abschnitt 31 der Bohrung 30 schneidet einen Strömungskanal 32 senkrecht zur Bohrung 31, um einen Strömungsmittelpfad zur Bohrung 13a der Scheibe 13 zu vervollständigen.

Das Spülrohr 17 ist durch Preßsitz in einer einspringenden Querbohrung 33 in Düsenplatte 14 angeordnet, wobei die Achse des Rohres 17 unter 90° bezüglich der Achse der Bohrung 30 angeordnet ist. Der kleinere Abschnitt 34 der Bohrung 33 schneidet sich mit ei <am zweiten Strömungsmittelkanal 35 senkrecht zur Bohrung

809807/0832

BAD ORIGINAL ,

"/'" 273625A

χ.: d vervollständigt einen zweiten Strömungsmittelpfad,der zur E >hrung 13a der Scheibe 13 führt. Es sei bemerkt, daß die Bohrungen 30 und 33 nicht senkrecht zueinander verlaufen müssen, sondern daß sie lediglich gegenüber einander versetzt sein nüssen .

Ir der Düsenplatte 14 ist eine Edelsteindüse 36 befestigt. Die Düse 36 besitzt eine konische Bohrung 37, welche nach aussei zu einer kleinen Zumeßöffnung 38 hin konvergiert.

En erfindungsgemäßer Modulator, aufgebaut mit einer Halterang SjS rostfreiem Stahl, besitzt einen Hohlraum 21 mit ungefä* 0,4 Zoll Durchmesser und 0,038 Zoll Tiefe. Vom Hohlraum 21 lus *"■■ hrt zu einem Aussenumfang der Halterung ein elektrischer <ontr ktschlitz von annähernd 0,0313 Zoll Breite und 0,0313 Zo"¹. T. efe. Der Wandler 22 ist ein piezoelektrischer Kristall, erhält-1. ch bei Channel Industries, Inc. in Santa Barbara, Kalifornien, U.S.A.; dieser Wandler wurd unter dem Namen Chanalite 54oo -Jand-Itr verkauft.

D e Elektrode 23 ist eine kreisförmige Messingscheibe von a xn >hernd 0,005 Zoll Dicke und 0,375 Zoll Durchmesser. Der Lt Lter V ist ungefähr 0,25 Zoll lang und 0,03 Zoll breit. Die Meiroran 12 ist eine PTFE-Membran von ungefähr 0,75 Zoll. Die Bohr u: 3 13a ii.t in einer PTFE-Scheibe 13 ausgebildet mit einer Länge ve ι arnähernd 0,010 Zoll, einem Aussendurchmesser von ungefähr 0,75 Zoll und einem Bohrungsdurchmesser von ungefähr 0,375 JoIl.

Die Düsenplatte 14 besteht aus rostfreiem Stahl mit einer Ticke ν η ungefähr 0,090zoll und einem Aussendurchmesser von ungefähr 0 75 Zoll. Tinteneinlaßrohr 16 bzw. Schnellspülrohr 17 bestehen a 3 rostfreiem Stahl und besitzen einen Durchmesser von o,o42 Zoll. D a Rohre 16 und 17 sind durch Preßpassung- auf eine Tiefe νυη annähern 0,150 Zoll in den Bohrungen 30 bzw. 33 befestigt. )ie Bohrungen 30 und 33 haben einen Durchmesser von annähernd 0-041 Z<. Ll und eine Tiefe von 0,150 Zoll. Die Abschnitte 31 und J i besitzen einen Durchmesser von ungefähr 0,025 Zoll und 0,07 Zoll

809807/0832 BAD WGlNM

Al*

Länge, während die Strömungsmittelkanäle 32 und 35 jeweils annähernd 0,025 Zoll Durchmesser und 0,045 Zoll Tiefe aufweisen.

Die Edelsteindüse 36 wird durch einen Rubinzylinder von annähernd 0,03 Zoll Länge und 0,046 Zoll Durchmesser gebildet. Die Düse besitzt eine konische Mittelbohrung 37, die ungefähr 0,03 Zoll Maximaldurchmesser aufweist. Die Bohrung 37 konvergiert zu einer Öffnung 38 von annähernd 0,002 Zoll Durchmesser hin.

Die verschiedensten anderen Materialien sind ebenfalls zufriedenstellend. Beispielsweise kann die Düse 18 aus anderen Materialien wie Saphir, Quarz, Glas, Keramik oder rostfreiem Stahl ausgebildet sein, ohne daß damit eine Beschränkung hinsichtlich der Materialien ausgedrückt werden soll. Wenn ferner eine aus rostfreiem Stahl bestehende Düsenplatte verwendet wird, so kann die Düse 18 direkt in der Düsenplatte 14 ausgebildet sein. Wenn ferner eine Düsenplatte aus rostfreiem Stahl benutzt wird, so kann die Düse 18 direkt in der Düsenplatte 14 ausgebildet werden. Rohre 16 und 17 können aus irgendeinem Material bestehen, welches gegenüber der verwendeten Tinte chemisch inaktiv ist.

Fig. 5 ist ein funktionelles Blockdiagramm eines Tintenstranldrucksystems, welches den erfindungsgemäßen Modulator verwendet. Die Halterung 11 des Modulators 10 ist mit Erde verbunden und der Kontaktleiter 19 der Elektrode 23 liegt am Ausgang sines Sinuswellengenerators 40. Ein Systemtaktgeber (system clock} 41 ist mit einem Eingang des Generators 40 und einem Eingang einer Phasensteuereinheit 42 verbunden. Die Phasensteuereinheit 42 empfängt eine Schwellenspannung von einer Bezugsspannungseinheit 43 und eine zweite Spannung von einem Tintenfänger 44. Die Phasensteuereinheit 42 vergleicht die Bezugsspannung mit der durch die auf den Tintenfänger 44 auftreffenden Tintentröpfchen gebildeten Spannung und erzeugt ein Phasensteuersignal, welches an eine Zeitsteuer- und Steuerlogikeinheit 45 geliefert wird. ι ;i Logikeinheit 45 erzeugt eine Treppenstufenspannung infolge der Phasensteuereinheit 42 und liefert die Spannung an einen Spannungsverstärker 46. Die Ausgangsgröße des Verstärkers 46

809807/0832

•r-

wird an die Tröpfchenladeplatten 47 angelegt. Eine Spannungsquelle 48 legt eine Spannung an zwei mit Abstand angeordnete Ablenkplatten 49 und 50 an, um ein elektrostatisches Feld zur Ablenkung der geladenen Tintentröpfchen zu erzeugen.

Bezüglich einer ins einzelne gehenden Erläuterung des Systems der Fig. 5 sei US-PS 3 596 276 hingewiesen.

In. Betrieb läßt man Tinte in das Tinteneinlaßrohr 16 unter Druck eintreten und das Schnellspülrohr 17 wird geöffnet, um jegliches Lösungsmittel aus dem Modulator 10 herauszuspülen. Sodann wird das Spülrohr geschlossen.

Der Generator 4O erzeugt eine Sinuswelle entsprechend dem Systemclock 41, um den Wandler 22 des Modulators 10 anzuregen. Der Wandler schwingt mit der Sinuswellenfrequenz und bildet eine Druckwelle innerhalb des Tintenhohlraums der Tintenkammer 13a. Die Druckwelle wird durch die Düse und hinein in den Tintenstrom übertragen, bis der Strom in Tröpfchen zerbricht oder sich zerlegt. Wenn die Tröpfchen aus dem Modulator 10 austreten, so laufen sie zwischen Ladungsplatten 47 und Ablenkplatten 49 und 50 hindurch. Die Ablenkung durch das elektrostatische Feld zwischen den Platten 49 und 50 steigt mit erhöhter Ladungsspannung an den Ladungsplatten 47 an. tiicht geladene Tintentröpfchen werden jedoch nicht durch das elektrostatische Feld zwischen den Platten 49 und 50 beeinflußt und fließen ohne Ablenkung in den Fänger hinein. Die geladenen Tröpfchen treffen auf das Papier 51 auf.

Die Phasensteuereinheit 42 vergleicht eine aus dem Tintenfänger 44 durch die auftretenden geladenen Tröpfchen erzeugte Spannung mit der Bezugsspannung von Einheit 43, die für eine gewünschte Beziehung zwischen dem Tröpfchenaufbrechpunkt und der Ladungsipannung repräsentativ sein kann. Wenn die Spannungen gleich sind, so sind Ladungsspannungsausgangsgröße vom Verstärker 46 und Kristallanregungsspannungsausgangsgröße vom Generator 40 synchronisiert. Wenn die Spannungen nicht gleich sind, so induziert die

809807/0832

Λό

Phasensteuereinheit 42 jedoch eine Verzögerung in der Ladespannung. Ein geeignetes Phasensteuersystem ist in US-PS 3 596 276 beschrieben.

Fig. 6 veranschaulicht graphisch die Frequenz/Druck-Betriebskennlinien eines Ausführungsbeispiels der Erfindung. Die Kurve 60 bzw. 61 repräsentiert die niedrigen und hohen Drücke, die beim Tintenmodulator 10 verwendet werden, und zwar für eine Tropfenfrequenzbandbreite von 65 kHz bis 110 kHz. Innerhalb der durch die Kurven 60 und 61 definierten Betriebsumhüllenden wurde festgestellt, daß keine Satelitentröpfchen auftreten, und daß der Tröpfchenaufbrechpunkt innerhalb einer Toleranz von ungefähr - 0,02 Zoll von einer im wesentlichen linearen Norm zwischen 65 kHz und 110 kHz verbleibt. Vergleichbare Ergebnisse wurden zwischen 10 kHz und 65 kHz erhalten. Darüber hinaus wurde trotz eines oberhalb 110 kHz auftretenden Abfalls im Modulatorwirkungsgrad eine Zuverlässigkeit erhalten, die derjenigen bei bekannten Systemen überlegen ist. Speziell bleiben Änderungen hinsichtlich der Anordnung des Aufbrechpunktes innerhalb eines steuerbaren Bereichs und die Empfindlichkeit gegenüber Temperaturänderungen ist weniger deutlich als bei bekannten Systemen.

Es wurde ferner festgestellt, daß die optimalen zwischen 65 kHz und 110 kHz erhaltenen Betriebskennlinien im wesentlichen oberhalb 110 kHz und unterhalb 65 kHz durch Änderung der Axiallänge des Tintenhohlraums 13a erfindungsgemäß wiederholt werden können. Insbesondere kann die Länge des Tintenhohlraums verringert und die Wandlerspannung bei Frequenzen oberhalb 110 kHz erhöht werden, während die Länge des Tintenhohlraums bei Frequenzen unterhalb 65 kHz vergrößert werden kann.

Die Kurven 60 und 61 veranschaulichen eine Toleranz gegenüber Tintendruckänderungen bei hohen Frequenzen, wie dies bislang nicht bekannt war. Bei einer gegebenen Tropfenrate kann der Tintenhohlraumdruck erhöht werden, um die Tropfengeschwindigkeit für eine gleichförmigere Zeichendruckung zu erhöhen, ohne irgendwelche Probleme wie beim Stand der Technik zu erhalten. Für den Fall, daß auf einem gegebenen Dokument eine Tintenver-

809807/0832

spritzung auftritt, kann der Druck bei einer gegebenen Tropfenrate abgesenkt werden, um die Tropfengeschwindigkeit zu verringern und dadurch die Tintenverspritzung zu eliminieren. Wiederum treten keine störenden Wirkungen wie beim Stand der Technik auf.

Fig. 7 zeigt eine mechanische Resonanzwellenform 70.

Die bislang verwendeten Modulatorsysteme arbeiten nur in einer schmalen Bandbreite zentriert um die mechanische Resonanzfrequenz f herum. Bei der Frequenz f tritt eine stehende akustische Welle im Modulator auf. Bislang haben Temperaturänderungen Variationen im Aufbrechpunkt von bis zu 100% hervorgerufen.

Ein erfindungsgemäß ausgebildeter Modulator arbeitet bei Frequenzen unterhalb der 1/10-Leistungs-Frequenz f₁. Die mechanische Resonanzfrequenz wird dadurch aus dem Betriebsbereich entfernt. Die durch den Modulator induzierten Veränderungen des Aufbrechpunktes werden im wesentlichen eliminiert. Wenn ein Modulator bei einer Frequenz unterhalb der mechanischen Resonanzfrequenz arbeitet, so können jedoch die Resonanzfrequenz und ungeradzahlige Harmonische derselben angeregt werden und die Tropfenraten beeinflussen. Als Faustregel hat sich erfindungsgemäß ergeben, daß dann, wenn der Modulator mindestens eine Oktave unterhalb der 1/10-Leistungs-Frequenz f betrieben wird, solche Effekte im wesentlichen gedämpft sind.

Demgemäß werden die Abmessungen der Komponententeile des Modulators klein verglichen mit der Wellenlänge der kürzesten sLehenden akustischen Longitudinalwelle gemacht, die in einem Gebilde aus dem gleichen Material wie die in Rede stehenden Teile hergestellt ist, und die Gesamtdimensionen des Modulators sind in ähnlicher Weise klein, wodurch die mechanische Resonanzfrequenz dadurch aus dem Betriebsbereich des Modulat rs entfernt wird. Sowohl die Anregungsfrequenz als auch die durch den Modulator induzierten Veränderungen beim Aufbrechpunkt können im wesentlichen eliminiert werden. Die einzigen verbleibenden Gründe der Unstabilität beim Aufbrechpunkt, einschließlich einer Temperaturänderung der Tinte, rufen Veränderungen hervor, die ohne weiteres innerhalb der hier angegebenen

809807/0832

Betriebstoleranzen liegen. A%

Fig. 8 zeigt einen Mehrfachdüsenmodulator 10a mit einer Vielzahl von Düsen 80, die durch lasereingebohrte Zumeßöffnungen in einer Düsenplatte 14a aus rostfreiem Stahl sein können oder die,wie zuvor beschrieben, in einzelnen Rubin- oder Saphir-Edelsteinen ausgebildet sein können. Es ist keine weitere Modifikation am Modulator 10 erforderlich, um den Mehrfachdüsenmodulator 10a aufzubauen. Demgemäß arbeitet eine einzige Kristall- und Membrankombination an einem einzigen Tintenhohlraum, um Tinte gleichförmig einer Vielzahl von Düsen zuzuführen. Die durch die mehreren Düsen emittierten parallelen Tintenströme br chen in Tröpfchen annähernd zur gleichen Zeit und nahezu mit gleichmäßigen Abständen gegenüber den Zumeßöffnungen auf. Fetner wird die Empfindlichkeit gegenüber Temperatur-, Druck- und Tröpfchenraten-Änderungen wesentlich reduziert und das Auftreten von Satelitentröpfchen wird im wesentlichen eliminiert.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Obwohl hier beispielsweise Tintenstrahlmodulatorausführungsbeispiele beschrieben wurden, so kann doch die Erfindung auch bei jedem Flüssigkeitsstrahlmodulator Verwendung finden, wo die Bauteile des Modulators Dimensionen aufweisen, die klein sind verglichen mit der Wellenlänge einer akustischen stehenden Welle in den Modulatorteilen. Auch solche Abwandlungen werden von der Erfindung umfaßt.

Zusammenfassend sieht die Erfindung einen Modulator für Tintenstrahldrucker vor, und zwar für einen Betrieb über eine breite Bandbreite von Hochfrequenz-Tropfraten hinweg; die körperlichen Abmessungen jedes Teils des Modulators sind klein gemacht verglichen mit der Wellenlänge der kürzesten stehenden akustischen Longitudinalwelle, die in einem Gebilde aus dem gleichen Material wie der in Rede stehende Teil erzeugt werden kann; ein piezoelektrischer Kristall sitzt innerhalb einer Halterung akustisch entkoppelt: an den Kanten; eine Elektrode ist axial mit dem Kristall ausgerichtet und in Berührung mit dem Kristall angeordnet; ein

809807/0832

" /19 273625A

kurzer hohler Zylinder bildet eine Tintenkammer axial ausgerich- et mit dem Kristall; das Ende der Tintenkammer entgegengesetzt zum Kristall ist durch eine Vorderplatte mit einer axial darin angeordneten Düse abgeschlossen. Mehrfachdüsen können verwendet werden, um parallele Tintenströme zu erzeugen, die in Tröpfchen aufbrechen, und zwar im wesentlichen zur gleichen Zeit und mit einem nahezu gleichförmigen Abstand gegenüber den Düsen.

809807/0832

Leerseite

Claims

Ansprüche

M.J Breitband-Flüssigstrahlmodulator zur Erzeugung von Flüssigkeitströpfchen mit hohen Betriebsfrequenzen, g e k e η η zeichnet durch

a) ein Gehäuse mit einer zylindrischen Vertiefung (21) in einer Stirnfläche,

b) eine piezoelektrische Wandlerscheibe (22) angeordnet i:i der Vertiefung und in leitender Berührung mit dem Boden der Vertiefung,

c) eine Scheibenelektrode (23) leitend verbunden mit der ötirn-' fläche des erwähnten Wandlers entgegengesetzt zum Bode ι der Vertiefung,

■i) eine flexible Membran (12), welche die Vertiefung verschließt,

e) eine Scheibe (13) benachbart zur Membran mit einer Bohrung axial ausgerichtet mit der Vertiefung zur Bildung einer Flüssigkeitskammer angrenzend an die Membran und

f) eine Platte (14), welche die Bohrung verschließt, um eine Kammer zu bilden, die sich in einer mechanischen Resonanz unter dem Flüssigkeitsdruck befindet, und zwar bei ein sr Frequenz höher als der Betriebsfrequenz, wobei die Pia .te eine Zumeßöffnung axial ausgerichtet mit der Bohrung besitzt, uir einen Flüssigkeitsstrom aus der Flüssigkeitstammer zu emittieren.

I. Mod"lator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß •Jie Gesamtabmessungen des Modulators klein sind verglichen mit ier Wellenlänge einer stehenden akustischen Welle in dem ?u- >ammengebauten Körper des Modulators.

Modulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß, die körperlichen Abmessungen des Modulators eine Größe besitzen, um das erwähnte breite Band der Hochfrequenztropfenraten unterzubringen, und zwar mindestens eine Oktave unterhalb der akustischen 1/10-Leistung und der mechanischen Resonanz-Frequenzen des Modulators.

809807/0832 ORIGINAL INSPECTED

4. Modulator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß "ie körperlichen Abmessangen der Komponententeile des Modulators nicht größer sind als ein Zehntel der Wellenlänge einer .stehenden akustischen Kelle bei der Betriebsfrequenz in entsprechenden Komponententeilen.

5. Breitband-Tintenstrahlmodulatoranordnuna, gekennze chnet durch

-i) ein Tragglied (11),

b) einen elektrischen Wandler (22) angeordnet in einer Ve tiefung (21) in dem Tragglied (11),

":) eine Elektrode (23) axial ausgerichtet und leitend ver, unden bzw. verklebt mit dem elektriscuen Wandler, wobei die Elektrode eine Dicke besitzt, die klein ist verglichen nit der Dicke des elektrischen Wandlers (22), und wobei de; Durchmesser der Elektrode in der Größenordnung des elektris« ien Wandlers liegt,

J) eine flexible Membran (12) axial, ausgerichtet mit und c igeklebt bzw. anhaftend an der Elektrode, wobei die Membri ι eine Dicke in der Größenordnung der Elektrode besitzt und einen Durchmesser größer als die Elektrode,

^) ein kurzer Zylinder zur Bildung einer Tintenkammer (13.) axial ausgerichtet mit und angrenzend an die flexible '< embran, wobei der Zylinder einen Aussendurchmesser in d r Größenordnung des Durchmessers der flexiblen Membran u J einen Innendurchmesser in der Größenordnung des elektrischen Wandlers besitzt,

f) eine Düsenplatte (14) axial angrenzend an den Zylinder and mit einem Aussendurchmesser in der Größenordnung des Di rchmessers des Zylinders,

g) Düsenmittel (18-, 36) angeordnet in einer Zumeßöffnung in der Düsenplatte zum Emittieren von Tinte aus der Tintenkammer und

h) Mittel zur Anregung des Wandlers mit einer Frequenz de:, art, daß die Wellenlänge der erzeugten akustischen Wellen groß ist verglichen mit der Größenabmessung irgendeines Eleirents der Anordnung.

809807/0832 BAD ORIGINAL

5. Modulator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß der elektrische Wandler ein piezoelektrischer Kristall i t.

7. Modulator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenmittel durch eine Edelsteindüse gebildet sind, . älche in der Düsenplatte sitzt und eine konische Bohrung aufwe st, die zu einer Tintenöffnung hin konvergiert.

8. Modulator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß die Länge und der Durchmesser der Anordnung klein sind ν rglichen mit der Wellenlänge der akustischen Welle.

9. Modulator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß die Düsenplatte (14) eine Querbohrung (3O) besitzt und e.^ ien ersten Strömungsmittelkanal parallel zur Longitudinalach. a der Düsenplatte in Strömungsmittelverbindung mit der ers- tn Querbohrung und der Tintenkammer, und wobei die Düsenplatte ebenfalls eine zweite Querbohrung (33) versetzt g .jenüber der ersten Querbohrung besitzt, und einen zweiten S römungsmittelkanal parallel zu dem ersten StrömungsmitteIk.. ial und in Strömungsmittelverbindung mit der zweiten Querboh" Jing und der Tintenkammer zum selektiven Fluß von Strömungsini- zel zur Tintenkammer hin.

10. Modulator nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch

a) ein erstes Rohr (16), welches in der ersten Querbohru: j durch Preßsitz angeordnet ist, und

b) ein zweites Rohr (17) , welches durch Preßsitz in der »eiten Querbohrung angeordnet ist.

11. Breitband-Tintenstrahlmodulator, gekennzeichnet d rch

a) ein Tragglied,

b) einen Wandler angeordnet in dem Tragglied (Kammer),

c) eine Elektrode axial ausgerichtet und angrenzend an d·. *> Wandler, wobei die Elektrode eine Dicke besitzt, die k_ein ist verglichen mit der Dicke d as Wandlers und einen Dv cch- messer in der Größenordnung des Durchmessers des Wand)irs.

809807/0832

BAD ORIGINAL

1) eine flexible Membran axial ausgerichtet mit und anhaftend an der Elektrode, wobei die Membran eine Dicke in der Größenordnung der Dicke der Elektrode und einen Durchmesser größer als den Durchmesser der Elektrode aufweist,

e) einen kurzen Zylinder zur Bildung einer Tintenkammer axial ausgerichtet mit und angrenzend an die Membran, wobei der Zylinder einen Aussendurchmesser in der Größenordnung des Durchmessers der Membran und einen Innendurchmesser in der Größenordnung des Durchmessers des Wandlers aufweist, und

") eine Düsenplatte angrenzend an die Tintenkammer, wobei die Düsenplatte einen Aussendurchmesser in der Größenordnung des Durchmessers der Tintenkammer und ferner eine Vielzahl von Düsen in Verbindung mit der Tintenkammer zur Bildung paralleler Tintenströme aufweist.

¹2. Breitband-Tintenstrahlmodulator mit mehreren Düsen, gekennzeichnet durch

a) ein Tragglied zum Zusammenbau des Modulators, wobei das Tragglied eine Länge, Breite und Dicke besitzt, die klein sind verglichen mit der Wellenlänge einer stehenden akustischen Welle in dem Tragglied,

b) einen Wandler, der in dem Tragglied sitzt und eine Dicke und einen Durchmesser besitzt, die klein sind verglichen mit der Wellenlänge einer stehenden akustischen Welle in dem Wandler,

c) eine Elektrode axial ausgerichtet und leitend verbunden mit dem Wandler, wobei die Elektrode eine Dicke klein verglichen mit dem Wandler und einen Durchmesser in der Größenordnung des Wandlers besitzt,

i) eine flexible Membran axial ausgerichtet mit und anhaftend bzw. angeklebt an die Elektrode, wobei die Membran eine Dicke in der Größenordnung der Elektrode und einen Durchmesser größer als die Elektrode, aber kleiner als die Wellen-

101807/0832

länge der stehenden akustischen Welle in der Membran aufweist,

e) eine Tintenkammer axial ausgerichtet mit und angrenzend an die Membran, wobei die Tintenkammer eine Länge aufweist, die klein ist verglichen mit der Wellenlänge einer stehenden akustischen Welle in der Tintenkammer, und ferner einen Aussendurchmesser in der Größenordnung der Membran besitzt, und ferner einen Innendurchmesser in der Größenordnung des Wandlers,

f) eine Düsenplatte axial ausgerichtet mit und angrenzend an die Tintenkammer, wobei die Düsenplatte eine Dicke aufweist, die klein ist verglichen mit der Wellenlänge einer stehenden akustischen Welle in der Düsenplatte, und wobei der Aussendurchmesser in der Größenordnung der Tintenkammer liegt und ferner eine Innenbohrung vorgesehen ist, und wobei

g) Düsenmittel vorgesehen sind, welche innerhalb der inneren Bohrung sich befinden, wobei die Düsenmittel eine Vielzahl von Zumeßöffnungen aufweisen, um Tinte aus der Tintenkammer zu emittieren, und wobei die körperlichen Abmessungen klein sind verglichen mit der Wellenlänge einer stehenden akustischen Welle in den Düsenmitteln.

13. Verfahren zur Herstellung eines Breitband-Tintenstrahlmodulators mit Komponententeilen einschließlich einer Halterung, eines Wandlers, einer Elektrode, einer Membran, einer Tintenkammer und einer Düsenplatte, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Ausbildung der erwähnten Teile mit körperlichen Abmessungen klein verglichen mit der Wellenlänge einer akustischen stehenden Welle in den Teilen,

b) Anordnung des Wandlers innerhalb der Halterung mittels eines Klebemittels,

c) Aufbringen eines Materials mit geringer akustischer Impedanz an den Kanten des Wandlers zum Zwecke der akustischen Entkopplung des Wandlers von der Halterung,

b) Aufbringen eines leitenden Klebemittels auf die Oberfläche

des Wandlers,
e) Anordnung der Elektrode über dem Wandler und in Berührung mit dem Klebemittel,

809807/0832

f) Befestigung der Membran an der Elektrode mit einem Klebemittel,

g) Anordnung eines Endes der Tintenkammer angrenzend an die Membran,

h) Anordnung der Düsenplatte über dem entgegengesetzten Ende

der Tintenkammer, und
i) mechanische Befestigung der Düsenplatte,der Tintenkammer und der Membran an der Halterung.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß Halterung und Düsenplatte aus rostfreiem Stahl bestehen, daß Membran und Tintenkammer aus Polytetrafluoräthylen bestehen und daß die Elektrode aus Messing besteht.

15. Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch den Schritt des Einbohrens einer Vielzahl von Zumeßöffnungen Ln die Düsenplatte zum Emittieren von Tinte aus der Tintenkammer.

809807/0832