DE2742311A1

DE2742311A1 - LIQUID JET MODULATOR

Info

Publication number: DE2742311A1
Application number: DE19772742311
Authority: DE
Inventors: Kenneth Terrell Lovelady; Larimore F Toye; John Truitt White
Original assignee: Recognition Equipment Inc
Current assignee: Recognition Equipment Inc
Priority date: 1976-09-20
Filing date: 1977-09-20
Publication date: 1978-03-23
Also published as: GB1559651A; NL7710319A; FR2364695A1

Description

PATENTANWALT DIPL-INQ. * β:·00 MQXCiIEN 22PATENT Attorney DIPL-INQ. * β: 00 MQXCiIEN 22

KARL H. WAGNER (ff GC.VORlMOHLdRASSE 5 KARL H. WAGNER (ff GC.VORlMOHLdRASSE 5

Ο 7 A 9 *3 1 1 POSTFACH 24βΟ 7 A 9 * 3 1 1 POST BOX 24β

20. September 1977 77-V-2918Sep 20, 1977 77-V-2918

RECOGNITION EQUIPMENT INCORPORATED, Dallas, Texas 75222, V.St.A.RECOGNITION EQUIPMENT INCORPORATED, Dallas, Texas 75222, V.St.A.

FlüssigkeitsstrahlmodulatorLiquid jet modulator

Die Erfindung bezieht sich auf ein Farbtropfenerzeugungssystem und insbesondere auf einen Färb- oder Tintenmodulator mit einem halbkugelförmigen piezoelektrischen Kristall, der verbesserte Betriebseigenschaften über eine große Bandbreite von Hochfrequenztropfenraten hinweg aufweist.The invention relates to a paint drop generation system and in particular to a color or ink modulator with a hemispherical piezoelectric crystal, the exhibits improved performance over a wide range of high frequency drop rates.

Tinten- oder Farbmodulatoren für Tinten- oder Farbstrahldrucke wurden bislang auf eine spezielle Tropfenrate elektromechanisch abgestimmt. Jede Abweichung von der Resonanzfrequenz bewirkte dabei eine Verschlechterung des Modulatorwirkungsgrades sowie nicht tolerierbare Änderungen im Abstand zwischen Düsen und Tropfenaufbrechpunkt. Die Veränderung der Aufbrechpunktlänge beeinflußt die Tropfenladefunktion. Änderungen in der Ablenksteuerung haben eine schlechte Druckqualität zur Folge.Ink or color modulators for ink or color jet prints have so far been electromechanical to a specific drop rate Voted. Any deviation from the resonance frequency caused a deterioration in the modulator efficiency as well intolerable changes in the distance between the nozzle and the drop break-up point. The change in the break-off point length influences the drop loading function. Changes in the deflection control result in poor print quality.

Bei einem Tintenstrahldruck-Transportsystem projiziert eine Tintenstrahlkanone geladene Tintentropfen, die zur Bildung eines Informationsmusters abgelenkt werden, auf eine sich bewegende Dokumentenoberfläche. Wenn sich die Transportgeschwindigkeit ändert, so ist es notwendig, eine entsprechende Änderung der Tropfenrate vorzusehen. Bei bislang verwendeten Druckersystemen waren Einstellungen der Tropfenrate ohne Rückkehr des Tintenmodulators nicht verfügbar.In an inkjet print transport system, an inkjet gun projects charged ink drops that form a Information patterns are deflected onto a moving document surface. If the transport speed changes, it is necessary to change the drop rate accordingly to be provided. In previously used printer systems, drop rate adjustments were without return of the ink modulator not available.

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TELEFON: (OM) 288527 TELEGRAMM: PATLAW MÖNCHEN TELEX: 5-22038 patw dTELEPHONE: (OM) 288527 TELEGRAM: PATLAW MÖNCHEN TELEX: 5-22038 patw d

Ein Tropfen-ein-Befehlsmodulator weist eine Pumpe mit positiver Verdrängung auf, welche infolge eines Befehls einen Druckimpuls an eine eine Düse speisende Tintenkammer abgibt. Wenn der Druckimpuls ausreicht, um die Oberflächenspannung an der Düsenspitze zu überwinden, so wird ein Tintentropfen ausgestoßen. Tintenversorgungsleitungen bilden jedoch massive Druckleckstellen, was der Pumpwirkung entgegenwirkt, die erforderlich ist, um einen Tintentropfen durch die Düse zu drücken.A drop-on-command modulator has a positive pump Displacement, which as a result of a command emits a pressure pulse to an ink chamber feeding a nozzle. When the pressure pulse sufficient to overcome the surface tension at the nozzle tip, a drop of ink is ejected. Ink supply lines however, form massive pressure leaks, which counteracts the pumping action that is required to produce a To push ink droplets through the nozzle.

Schalenförmige oder halbkugelförmige piezoelektrische Kristalle wurden seit langem in der medizinischen und chemischen Industrie verwendet. Halbkugelförmige Kristalle wurden als konkave Strahlvorrichtungen verwendet, um Ultraschallenergie in einem Flüssigkeitsmedium zu erzeugen. In dem Buch von Rosenberg, "Source of High-Intensity Ultrasound" wurde auf den Seiten 275 und 282 (in der Ausgabe von 1969) ein schalenförmiger piezoelektrischer Wandler beschrieben, um Ultraschallchirurgie durchzuführen. Ferner wird auf den Seiten 275, 286,287 die Verwendung eines piezoelektrischen Wandlers beschrieben, der zur Erzeugung von Emulsionen und Suspensionen dient und zur Intensivierung der Polymerization, Oxydation, Reduktion und feinen Dispersion. Wells beschreibt in "Physical Principles of Ultrasonic Diagnosis" auf Seiten 62, 63 (in der Ausgabe von 1969) einen fokussierten Schalenwandler zur übertragung von Energie auf einen in Wasser eingetauchten Patienten.Cup-shaped or hemispherical piezoelectric crystals have long been used in the medical and chemical industries. Hemispherical crystals were called concave beam devices used to generate ultrasonic energy in a liquid medium. In Rosenberg's book, "Source of High-Intensity Ultrasound "was on pages 275 and 282 (in the 1969 edition) described a bowl-shaped piezoelectric transducer for performing ultrasonic surgery. Further is on pages 275, 286,287 the use of a piezoelectric Described converter, which is used to generate emulsions and suspensions and to intensify the polymerization, Oxidation, reduction and fine dispersion. Wells describes in "Physical Principles of Ultrasonic Diagnosis" on Pages 62, 63 (in the 1969 edition) describe a focused shell transducer for transferring energy to one immersed in water Patient.

Andere kugelförmige Strahlvorrichtungen wurden zur Lenkung von akustischer Energie unter Wasser verwendet. Eine solche Vorrichtung weist einen flachen, scheibenförmigen, piezoelektrischen Kristall auf, der an der Rückseite einer plan-konkaven Linse befestigt ist. Der Kristall sendet akustische Wellen direkt in das Linsenmaterial hinein. Die die Linsen/Flüssigkeits-Grenzfläche erreichenden Wellen werden zur akustischen Achse hin gebrochen. Other spherical jet devices have been used to direct acoustic energy underwater. Such a device has a flat, disk-shaped, piezoelectric crystal, which is attached to the back of a flat-concave lens is attached. The crystal sends acoustic waves directly into the lens material. The lens / liquid interface Reaching waves are refracted towards the acoustic axis.

Erfindungsgemäß wird ein Tintenmodulator vorgesehen, der einen halbkugelförmigen oder halbzylindrischen piezoelektrischen WandlerAccording to the invention, an ink modulator is provided which has a hemispherical or semi-cylindrical piezoelectric transducer

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aufweist, der zur Erzeugung eines Tintenstromes dient, welcher aus gleichförmigen Tintentröpfchen besteht, und zwar über einen Tropfenfrequenzbereich hinweg, wie dies bislang unerreichbar war. Ferner werden große Änderungen in der Temperatur und dem Tintendruck verarbeitet, ohne daß unannehmbare Abweichungen des Tropfenaufbrechabstandes auftreten und daß sich die Druckqualität verschlechtert. Es wird ebenfalls ein Tropfen-ein-Befehls-Modulator vorgesehen, der einen halbkugelförmigen piezoelektrischen Wandler aufweist, um Tintentröpfchen zu erzeugen, und zwar ohne einen Verlust an Antriebsdruck in der Tintenversorgungsleitung. has, which is used to generate an ink stream, which consists of uniform ink droplets, and that over a Drop frequency range, as was previously unattainable. There are also large changes in temperature and the Ink printing processed without unacceptable deviations in the drop break-off distance and that the print quality worsened. It also becomes a drop-on-command modulator provided which has a hemispherical piezoelectric transducer to generate ink droplets, namely without loss of drive pressure in the ink supply line.

Bei der Entwicklung einiger Mehrfachdüsenformen sind komplizierte Systeme mit Mehrfachwandler-Membrankombinationen 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 die Tinte zu einem Satz von Düsen hin impulsförmig bewegen. US-PS 3 900 162 zeigt eine Tintenkanone, bei der eine diamantförmige Tintenkammer Mehrfachzumeßöffnungen speist, um Tröpfchen zu annähernd der gleichen Zeit und an einem nahezu gleichförmigen Abstand gegenüber den Zumeßöffnungen zu bilden. Die diamantförmige Kammer ist längs ihrer Diagonalen durch ein Vibrationsglied unterteilt und besitzt eine Vielzahl von an einer Seitedes Glieds befestigten Wandlern.Some multiple nozzle shapes are complex in design Systems with multiple transducer membrane combinations required. U.S. Patent 3,708,798 describes a multi-nozzle printer having a A plurality of piezoelectric transducers attached to a same plurality of diaphragms that convert the ink into one Pulse set of nozzles towards. U.S. Patent 3,900,162 shows an ink gun which has a diamond shaped ink chamber Multiple orifices feeds to droplets approaching the at the same time and at an almost uniform distance from the orifices. The diamond shaped chamber is divided along their diagonals by a vibrating member and has a plurality of attached to one side of the member Converters.

Zusammenfassung der Erfindung. Erfindungsgemäß weist ein Tintenmodulator einen halbkugelförmigen piezoelektrischen Kristall auf. Die konkaven und konvexen Oberflächen des Kristalls sind mit Elektroden versehen und der dadurch gebildete Wandler ist in eine feste Epoxyhalterung eingesetzt. Eine ringförmige Dichtung ist unmittelbar angrenzend an die ringförmige Kante des Wandlers angeordnet, und eine Düsenplatte ist abdichtend mit der Dichtung vorgesehen, um eine Tintenkammer zwischen dem Wandler und der Düsenplatte zu bilden. Das integrierte Gebilde des Modulators ist ferner durch hindurchgehende, mit Gewinde versehene Bolzen befestigt.Summary of the invention. According to the invention, an ink modulator a hemispherical piezoelectric crystal. The concave and convex surfaces of the crystal are provided with electrodes and the transducer formed thereby is inserted into a fixed epoxy holder. An annular seal is located immediately adjacent the annular edge of the transducer and a nozzle plate is sealing with the gasket provided to form an ink chamber between the transducer and the nozzle plate. The integrated structure of the modulator is also secured by through threaded bolts.

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Die körperlichen Abmessungen der Komponententeile des Modulators sind kleiner als die halbe Wellenlänge der kürzesten, stehenden akustischen Welle, die bei den höchsten der betriebsfähigen Tropfenfrequenzraten in einem Gebilde aus dem gleichen Material wie der in Rede stehende Teil erzeugt werden kann. Die Gesamt-Längsabmessungen des integrierten Modulatorgebildes sind in gleicher Weise klein. Die mechanischen Resonanzfrequenzen werden dadurch substantiell vom Betriebsfrequenzband getrennt. Infolgedessen ist der Aufbrechpunkt über den Betriebsbereich hinweg stabil. Ferner wird eine beträchtlich erhöhte Bandbreite der Betriebsfrequenzen vorgesehen, innerhalb welcher Tropfenrate, Temperatur und Tintendruckänderungen ohne Verschlechterung der Tintentropf engleichförmigkeit kompensiert werden.The physical dimensions of the component parts of the modulator are smaller than half the wavelength of the shortest standing acoustic wave, those of the highest of the operational ones Drop frequency rates can be generated in a structure made of the same material as the part in question. The overall longitudinal dimensions of the integrated modulator structure are equally small. The mechanical resonance frequencies are thereby substantially separated from the operating frequency band. As a result, the break-up point is stable over the operating range. Furthermore, a considerably increased range of operating frequencies is provided, within which drop rate, temperature and ink pressure changes can be compensated for without deterioration in ink drop uniformity.

Bei einer anderen Ausbildungsform der Erfindung umhüllt ein festes (solides) Stützelement einen halbkugelförmigen piezoelektrischen Wandler mit einer Mittelbohrung. Ein Tintenspeiserohr ragt durch die Mittelbohrung, wobei eine Düse in Strömungsmittelverbindung mit diesem Speiserohr vorgesehen ist. Dadurch wird die Betriebsfrequenzbandbreite beträchtlich erhöht und die Toleranz gegenüber Tintendruckänderungen wird gegenüber dem Ausführungsbeispiel mit Tintenreservoir verbessert. Darüber hinaus wird ein höherer Grad an Aufbrechabstandstabilität mit vergleichbaren Ansteuerspannungen vorgesehen.In another embodiment of the invention, a solid support element envelops a hemispherical piezoelectric one Converter with a central hole. An ink feed tube protrudes through the central bore with a nozzle in fluid communication is provided with this feed pipe. This will increase the operating frequency bandwidth considerably increased and the tolerance to changes in the ink pressure is compared to the embodiment improved with ink reservoir. In addition, there is a higher degree of breakaway distance stability with comparable drive voltages intended.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Breitband-Tintenstrahlmodulator vorgesehen, der eine Mehrfachzumeßöffnungsplatte besitzt, die zuverlässige Betriebseigenschaften über ein breites Band von Tropfenfrequenzen aufweist. Für den Betriebsbereich kann das Auftreten von Satellitentröpfchen im wesentlichen eliminiert werden, und Änderungen der Temperatur und der Tropfenraten können ohne Verschlechterung der Druckqualität kompensiert werden. Die zahlreichen Zumeßöffnungen können gewartet werden, ohne daß dadurch die Einfachheit der Konstruktion leidet oder der Wirkungsgrad des Modulators verschlechtert würde.In another embodiment of the invention, there is provided a broadband ink jet modulator which has a multiple orifice plate that has reliable performance over a wide range of drop frequencies. For the operating range, the occurrence of satellite droplets can be substantially eliminated and changes in temperature and the drop rates can be compensated without deteriorating the print quality. The numerous orifices can be serviced without sacrificing the simplicity of the construction or the efficiency of the modulator would.

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Die Erfindung beschreibt einen Mehrfachzumeßoffnungs-Tintenstrahlmodulator, der einen halbzylindrischen Wandler verwendet, der zahlreiche Vorteile gegenüber bekannten Verrichtungen aufweist, und zwar deshalb, weil er in der Lage ist, bei jeder gegebenen Frequenz innerhalb seines Betriebsbereichs zu arbeiten und auch arbeitet, wenn die Frequenz geändert wird. Der halbzylindrische Kristall wird durch Materialien gestützt, welcne unerwünschte Resonanzen und Reflexionen sämtlicher Frequenzen innerhalb seines Betriebsbereichs dämpfen und abschwächen. Alle Ströme werden gleichzeitig moduliert. Der Betrieb bei einer sich ändernden Frequenz gestattet das Drucken auf einem Transporter oder Träger, der eine sich ändernde Geschwindigkeit besitzt, oder während des Startens und Stoppens. Es ist möglich, eine Anordnung aufzubauen, um ausgehend von einigen wenigen Tropfen bis zu einer vollen Seitenbreite von Tropfen zu drucken, und zwar mit gesonderten Ladevorrichtungen für jede Zumeßöffnung, und es können auch Balken oder Zeichen gedruckt werden, während ein gemeinsames Ablenkfeld benutzt wird. Die Kanone besitzt ein eingebautes Schnellspülsystem für schnelleres Ein- und Ausschalten; es wird mehr Leistung an das Strömungsmittel angelegt, weil ein Halbzylinder eine wesentlich größere Strahlfäche für die gleiche Frontfläche besitzt als der konventionelle flache Kristall. Die Düsenplatte kann aus irgendeinem Material bestehen, in dem Düsen ausgebildet werden können, und es ist hart und fest genug, um den an die Zumeßöffnungsflache angelegten Druck auszuhalten.The invention describes a multiple orifice inkjet modulator, using a semi-cylindrical transducer which has numerous advantages over known devices, this is because it is able to operate within its operating range at any given frequency and also works when the frequency is changed. The semi-cylindrical crystal is supported by materials which are undesirable Attenuate and weaken resonances and reflections of all frequencies within its operating range. All Currents are modulated at the same time. Operating at a changing frequency allows printing on a transporter or carrier that has a changing speed, or during starting and stopping. It is possible to have an arrangement to print starting from a few drops up to a full page width of drops, namely with separate loading devices for each orifice, and bars or signs can also be printed while a common one Deflection field is used. The cannon has a built-in quick flush system for quicker switching on and off; more power is applied to the fluid because a half cylinder has a much larger jet area for the same Has front face than the conventional flat crystal. The nozzle plate can be made of any material in which Nozzles can be formed and it is hard and strong enough to withstand the pressure applied to the orifice area.

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:Further advantages, objectives and details of the invention emerge in particular from the claims and from the description of embodiments based on the drawing; in the drawing shows:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Tintenmodulator ;1 shows a cross section through an ink modulator according to the invention ;

Fig. 2 eine Vorderansicht des Modulators der Fig. 1;Figure 2 is a front view of the modulator of Figure 1;

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Frequenz/Druck-Betriebskennlinien des Tintenmodulators der Fig. 1;Figure 3 is a graph of the frequency / pressure operating characteristics the ink modulator of Fig. 1;

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Fig. 4 eine graphische Darstellung des Tintentropfenaufbrechabstands abhängig von der Frequenz für den Modulator der Fig. 1;Fig. 4 is a graph showing the ink drop break-up distance depending on the frequency for the modulator of FIG. 1;

Fig. 5 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen soliden Fülltintenmodulators;Fig. 5 is a cross-section of a solid according to the invention Fill ink modulator;

Fig. 6 eine graphische Darstellung von Kennlinien des Tintentröpfchenaufbrechabstandes abhängig von der Betriebsfrequenz für den Modulator der Fig. 5;Fig. 6 is a graph showing characteristics of the ink droplet breakup distance depending on the operating frequency for the modulator of FIG. 5;

Fig. 7 eine graphische Darstellung von Kennlinien der Frequenz abhängig vom Tintendruck für den Modulator der Fig. 5;Fig. 7 is a graph showing characteristics of the frequency as a function of the ink pressure for the modulator of Fig. 5;

Fig. 8 eine graphische Darstellung von Frequenz/Tropfenabstands-Kennlinie des Modulators der Fig. 5;8 is a graph of the frequency / droplet spacing characteristic the modulator of Figure 5;

Fig. 9 einen Querschnitt eines Tropfen-ein-Befehls-Tintenmodulators gemäß der Erfindung;Figure 9 is a cross section of a drop-on-command ink modulator according to the invention;

Fig. 10 einen Querschnitt eines zweiten erfindungsgemäßen Tropfen-ein-Befehls-Modulators;Fig. 10 is a cross section of a second according to the invention Drop-a-command modulator;

Fig. 11 eine Explosionsansicht der Mehrfachzumeßoffnungskanone; Figure 11 is an exploded view of the multiple orifice gun;

Fig. 12 einen Querschnitt der zusammengebauten Kanone;Figure 12 is a cross-section of the assembled cannon;

Fig. 13 ein typisches System, in dem die erfindungsgemäße Kanone verwendbar ist;Fig. 13 shows a typical system in which the cannon according to the invention can be used;

Fig. 14 eine graphische Darstellung der Impedanz des piezoelektrischen Kristalls abhängig von der Frequenz;14 is a graph showing the impedance of the piezoelectric Crystal depending on the frequency;

Fig. 15 die Impedanz abhängig von der Frequenz, wenn der Kristall dadurch gedämpft wird, daß man ihn wie in Fig. 2 gezeigt einbettet.Fig. 15 shows the impedance versus frequency when the crystal is damped by being like shown in Fig. 2 embeds.

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Es seien nunmehr bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Fig. 1 zeigt einen halbkugelförmigen piezoelektrischen Kristall 10, der mit Elektroden 11 und 12 an der äußeren konvexen bzw. der inneren konkaven Oberfläche des Kristalls versehen ist. Die Elektroden sind voneinander durch die nicht leitende ringförmige Kante des Kristalls isoliert. Der Kristall 10 mit den Elektroden 11 und 12 sitzt innerhalb einer Epoxyhalterung oder eines Stützelements 13. Ein erster Ansteuerleiter 14 ist elektrisch mit Elektrode 11 verbunden und ein zweiter Ansteuerleiter 15 steht elektrisch mit Elektrode 12 in Verbindung. Der Antriebsleiter 14 erstreckt sich durch die Halterung 13 zu einer externen Spannungsquelle hin. Der Antriebsleiter 15 erstreckt sich durch eine epoxygefüllte Vertiefung oder einen Trog 10a, der in den Kristall 10 und die Elektroden eingeschnitten ist, und durch Halterung 13 zur externen Spannungsquelle. Eine Oberfläche einer Polytetrafluoräthylen-Ringdichtung 16 steht in Berührung mit der Halterung 13 und mit der ringförmigen Kante des Kristalls 10. Eine Düsenplatte 17 besitzt eine Düse 18. Die Düsenplatte 17 ist in Abdichtberührung mit der Oberfläche der Dichtung 16 entgegengesetzt zur Halterung 13 angeordnet, wodurch ein Tintenreservoir mit der Elektrode 12 gebildet wird. Kristall 10, Halterung 13, Dichtung 16 und Düsenplatte 17 werden durch Bolzen 19 mit Muttern 20 an ihrem Platz gehalten.Preferred embodiments of the invention will now be described. Fig. 1 shows a hemispherical piezoelectric Crystal 10 provided with electrodes 11 and 12 on the outer convex and inner concave surfaces of the crystal, respectively is. The electrodes are isolated from each other by the non-conductive annular edge of the crystal. The crystal 10 with electrodes 11 and 12 seated within an epoxy holder or a support element 13. A first control conductor 14 is electrically connected to electrode 11 and a second control conductor 15 is electrically connected to electrode 12. The drive conductor 14 extends through the bracket 13 to a external voltage source. The drive ladder 15 extends through an epoxy-filled recess or trough 10a, which is cut into the crystal 10 and the electrodes, and through bracket 13 to the external voltage source. One surface a polytetrafluoroethylene ring seal 16 is in contact with the holder 13 and with the annular edge of the Crystal 10. A nozzle plate 17 has a nozzle 18. The nozzle plate 17 is arranged in sealing contact with the surface of the seal 16 opposite to the bracket 13, whereby a Ink reservoir is formed with the electrode 12. Crystal 10, bracket 13, gasket 16 and nozzle plate 17 are bolted 19 held in place with nuts 20.

In der Düsenplatte 17 ist eine erste äußere Querbohrung 21 ausgebildet, die zu einer ersten inneren Querbohrung 22 führt. Die Bohrung 22 steht in Strömungsmittelverbindung mit einer ersten Längsbohrung 23 von gleichem Durchmesser. Die Bohrung 23 ist unmittelbar auf der Innenseite der Innenkante der Dichtung 16 angeordnet. Die Düsenplatte 17 weist ferner eine zweite äußere Querbohrung 24 (Fig. 2) auf, die zu einer zweiten inneren Querbohrung 25 führt. Die Bohrung 25 steht in Strömungsmittelverbindung mit einer zweiten Longitudinal- oder Längsbohrung,die in der gleichen Weise wie Bohrung 23 ausgebildet ist. Ein Rohr 26 sitzt abdichtend mittels Preßpassung in der Bohrung 21 und ein Rohr 27 sitzt ebenfalls durch Preßpassung abdichtend in Bohrung 24.A first outer transverse bore 21 is formed in the nozzle plate 17, which leads to a first inner transverse bore 22. The bore 22 is in fluid communication with a first Longitudinal bore 23 of the same diameter. The bore 23 is directly on the inside of the inner edge of the seal 16 arranged. The nozzle plate 17 also has a second outer transverse bore 24 (FIG. 2) which leads to a second inner transverse bore 25 leads. The bore 25 is in fluid communication with a second longitudinal or longitudinal bore, which in the same way as bore 23 is formed. A tube 26 is sealingly press-fitted into the bore 21 and Tube 27 is also seated in bore 24 in a sealing manner by an interference fit.

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In der Aussenoberflache der Düsenplatte 17 ist^irte^sidh'nach aus sen erweiternde und konisch ausgebildete Vertiefung 17a ausgebildet. Zentriert innerhalb der Vertiefung 17a befindet sich die Düse 18. Die Düse 18 hat Zylinderform, und zwar mit einer konischen Einlaßbohrung 18a, die zu einer Zumeßöffnung 18b hin konvergiert. In the outer surface of the nozzle plate 17 there is no longer any sen widening and conical recess 17a formed. The is centered within the recess 17a Nozzle 18. The nozzle 18 has a cylindrical shape with a conical one Inlet bore 18a which converges towards an orifice 18b.

Beim hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel besitzt die Halterung 13 eine Fläche von einem Quadratzoll und ist 0,275 Zoll stark. Die Halterung besteht aus einem Epoxyharz, wie beispielsweise einem als Modell Nr. 2850-KT bezeichneten, wie es von der Emerson & Cuming, Inc., in Canton, Massachusetts, USA, hergestellt und verkauft wird.In the preferred embodiment described herein, the bracket 13 has an area of one square inch and is 0.275 Inches thick. The bracket is made from an epoxy resin such as one referred to as Model No. 2850-KT, like that manufactured and sold by Emerson & Cuming, Inc. of Canton, Massachusetts, USA.

Der Kristall 10 ist ein piezoelektrischer Kristall, hergestellt aus einem Keramikmaterial,mit einem niedrigen mechanischen Q und einer hohen Belastungsspannung pro Feld bei konstanter Beanspruchung, was man im allgemeinen als d₃₃~Faktor in der Technik bezeichnet. Es wurde festgestellt, daß Material mit einem mechanischen Q nicht größer als 70 und einem d_o1 nicht kleiner als 550The crystal 10 is a piezoelectric crystal made of a ceramic material with a low mechanical Q and a high stress voltage per field at constant stress, which is commonly referred to as the d ₃₃ factor in the art. It was found that material with a mechanical Q not greater than 70 and a d _o1 not less than 550

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χ 10 m pro Volt verwendet werden kann. Von der Vernitron Piezoelectric Division, Bedford, Ohio, USA, hergestelltes Material unter der Bezeichnung Modell PZT-5H wird bevorzugt. Dieses Material besitzt ein mechanisches Q von annähernd 65 und ein d,, von unge-χ 10 m per volt can be used. From the Vernitron Piezoelectric Division, Bedford, Ohio, USA, material manufactured under the designation Model PZT-5H is preferred. This material has a mechanical Q of approximately 65 and ad ,, of un-

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fähr 593 χ 10 m/Volt.Die Dicke der Kristallwand beträgt annähernd 0,031 Zoll. Der Innendurchmesser des Kristalls beträgt ungefähr 0,313 Zoll. Die Elektroden 11 und 12 bestehen aus Silber und sind durch bekannte Mittel am Kristall 10 befestigt.about 593 χ 10 m / volt. The thickness of the crystal wall is approximately 0.031 in. The inside diameter of the crystal is approximately 0.313 inches. The electrodes 11 and 12 are made of silver and are attached to crystal 10 by known means.

Die Ringdichtung 16 ist annähernd 0,005 Zoll dick, wobei der Innendurchmesser ungefähr 0,313 Zoll beträgt. Die Ringdichtung sieht nicht nur eine Flüssigkeitsdichtung vor, sondern dämpft auch die Wandlerschwingungen, die aus der ringförmigen Kante des Kristalls 10 senkrecht zur Wandlerachse austreten.The ring seal 16 is approximately 0.005 inches thick with the inside diameter is approximately 0.313 inches. The ring seal not only provides a liquid seal, but also cushions it Transducer vibrations that emerge from the annular edge of the crystal 10 perpendicular to the transducer axis.

Die Düsenplatte 17 besteht aus rostfreiem Stahl und hat eine Länge von annähernd 0,090 Zoll. Die in der Platte 17 ausgebildete Vertiefung 17a besitzt eine öffnung von ungefähr 0,30 Zoll Durchmesser und wird durch Wände definiert, die einen eingeschlossenenThe nozzle plate 17 is made of stainless steel and has a length of approximately 0.090 inches. The recess 17a formed in the plate 17 has an opening approximately 0.30 inches in diameter and is defined by walls that contain one

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Winkel von annähernd 100° besitzen. Die Bohrungen 21 und 24 der Platte 17 haben jeweils 0,042 Zoll Durchmesser und 0,156 Zoll Länge. Die Bohrungen 22 und 25 besitzen jeweils ungefähr 0,025 Zoll Durchmesser und 0,076 Zoll Länge. Ferner hat die Bohrung einen Durchmesser von 0,025 Zoll und eine Länge von 0,045 Zoll.Have angles of approximately 100 °. Bores 21 and 24 of plate 17 are 0.042 inches in diameter and 0.156 inches, respectively Length. Bores 22 and 25 are each approximately 0.025 inches in diameter and 0.076 inches in length. Furthermore, the hole 0.025 inches in diameter and 0.045 inches in length.

Die Rohre 26 und 27 bestehen jeweils aus rostfreiem Stahl "Gauge" 19, wie er für Rohre auf dem Gebiet der hypodermischen Spritzen verwendet wird.The tubes 26 and 27 are each made of stainless steel "gauge" 19, such as that used for tubes in the field of hypodermic syringes is used.

Die Düse 18 ist aus einem zylindrischen Saphiredelstein von annähernd 0,031 Zoll Länge und 0,046 Zoll Durchmesser ausgebildet. Die Wände der Einlaßbohrung 18a der Düse 18 definieren einen eingeschlossenen Winkel von ungefähr 70° und konvergieren zur Zumeßöffnung oder Düse 18b hin, die annähernd 0,002 Zoll lang ist und 0,002 Zoll Durchmesser aufweist.The nozzle 18 is made of a cylindrical sapphire gemstone of approximately 0.031 "in length and 0.046" in diameter. The walls of the inlet bore 18a of the nozzle 18 define one included angle of about 70 ° and converge towards orifice or nozzle 18b which is approximately 0.002 inches long and is 0.002 inches in diameter.

Im Betrieb fließt unter Druck stehende Tinte durch das Rohr 26 und die Bohrungen 21, 22 und 23 zum Tintenreservoir zwischen Kristall 10 und Düsenplatte 17. Anfangs wird das Rohr 27 geöffnet, um jeglichen Strömungsmittelrest,der im Tintenreservoir vorhanden sein kann, herauszuspülen. Danach wird das Rohr 27 geschlossen und Tinte tritt nur durch die Düse 18 aus. An die Leiter 14 und 15 angelegte Spannungsimpulse bewirken das Ausdehnen und Zusammenziehen des Kristalls 10 im Bereich zwischen Elektroden 11 und 12. Die Tinte innerhalb des Tintenreservoirs wird dadurch druckmoduliert. Die Druckwelle wird durch die Düse 18 in den Tintenstrom hinein übertragen. Der Strom bricht dadurch in Tröpfchen auf.In operation, pressurized ink flows through tube 26 and bores 21, 22 and 23 to the ink reservoir therebetween Crystal 10 and nozzle plate 17. Initially, tube 27 is opened to remove any residual fluid that may be in the ink reservoir can be to flush out. Thereafter, the tube 27 is closed and ink only exits through the nozzle 18. To the ladder 14 and 15 applied voltage pulses cause the expansion and contraction of the crystal 10 in the area between electrodes 11 and 12. The ink within the ink reservoir is thereby pressure modulated. The pressure wave is transmitted through the nozzle 18 into the ink stream. The current breaks in Droplets on.

Die körperlichen Abmessungen der Komponententeile des Tintenmodulators sind kleiner als die halbe Wellenlänge der kürzesten stehenden akustischen Welle, die erzeugt werden kann bei den höchsten betreibbaren Tropfenfrequenzraten in einem Gebilde aus dem gleichen Material wie der in Rede stehende Teil. Ferner ist die Longitudinallänge des Modulators kleiner als die Wellenlänge der kürzesten,stehenden,longitudinalen, akustischen Welle, die in dem zusammengebauten Körper des Modulators erzeugt werden kann.The physical dimensions of the component parts of the ink modulator are smaller than half the wavelength of the shortest standing acoustic wave that can be generated by the highest operable drop frequency rates in a structure made of the same material as the part in question. Furthermore is the longitudinal length of the modulator is smaller than the wavelength of the shortest, standing, longitudinal, acoustic wave, the can be generated in the assembled body of the modulator.

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Eine große Bandbreite an Tropfenratenfrequenzen wird dadurch vorgesehen, die weit genug unterhalb der mechanischen Resonanzfrequenzen des Modulators liegt, um effektiv von den Effekten der beiden Resonanzfrequenzen isoliert zu werden, und der Harmonischen derselben, die während einer Druckoperation angeregt werden können. Infolgedessen ist der Tintentröpfchenaufbrechabstand im wesentlichen gleichförmig über den Betriebsbereich hinweg und die Toleranz der Modulator-zu-Tropfen-Rate, Temperatur und Tintendruck änderungen wird verbessert. Der primäre Tintentropfenpfad ist im wesentlichen frei von Satellitentropfen. Gleichförmige Tintentröpfchen werden über einen Frequenzbereich bis zu einer höchsten Betriebsfrequenz von annähernd dem 3,5-fachen der untersten Betriebsfrequenz erzeugt.A wide range of drop rate frequencies is provided by which is far enough below the mechanical resonance frequencies of the modulator to be effectively affected by the effects of the to be isolated at both resonance frequencies, and the harmonics thereof excited during a printing operation can. As a result, the ink droplet breakup distance is im substantially uniform over the operating range and the tolerance of the modulator-to-drop rate, temperature and ink pressure changes will be improved. The primary ink drop path is im essentially free of satellite droplets. Uniform ink droplets are produced over a range of frequencies up to a highest Operating frequency approximately 3.5 times the lowest operating frequency generated.

Der Kristall 10 kann als 165°-Kristall gekennzeichnet werden. Das heißt, ein Winkel von 165° wird definiert durch Radiallinien in der gleichen Ebene und ausgehend vom Krümmungsmittelpunkt zu entgegengesetztliegenden Punkten auf der ringförmigen Kante des Kristalls. In Fig. 3 repräsentieren die Kurven 28 und 29 die niedrigen bzw. hohen Druckgrenzen einer Betriebsumhüllenden für einen Tintenmodulator mit einem 165°-Kristall, der bei Tropfenfrequenzraten zwischen 20 und 90 kHz arbeitet.The crystal 10 can be identified as a 165 ° crystal. That is, an angle of 165 ° is defined by radial lines in the same plane and starting from the center of curvature opposite points on the ring-shaped edge of the crystal. In Fig. 3, curves 28 and 29 represent the low or high pressure limits of an operating envelope for an ink modulator with a 165 ° crystal that operates at drop frequency rates works between 20 and 90 kHz.

Es wurde festgestellt, daß mit einer konstanten 30 Volt Kristall-Ansteuerspannung der Tintenmodulator innerhalb der durch die Kurven 28 und 29 definierten Umhüllenden betrieben werden kann, und zwar ohne die Erzeugung von Satellitentröpfchen. Ferner bleibt der Tintentröpfchenaufbrechabstand von der Düse im wesentlichen gleichförmig und die Empfindlichkeit gegenüber Temperaturänderung ist weniger deutlich als bei bekannten Systemen.It was found that crystal drive voltage of the ink modulator can be operated within the limits defined by the curves 28 and 29 envelope at a constant 30 volts, without the generation of satellite droplets. Furthermore, the ink droplet break-up distance from the nozzle remains substantially uniform and the sensitivity to temperature change is less marked than in prior art systems.

Die Kurven 28 und 29 veranschaulichen ferner eine Toleranz gegenüber Tintendruckänderungen über ein Band von Hochfrequenztropfenraten hinweg, welches breiter ist als dies bislang erreicht wurde.Curves 28 and 29 also illustrate a tolerance to this Ink pressure changes across a band of high frequency drop rates that is wider than has been previously achieved became.

In Fig. 4 ist der Aufbrechabstand abhängig von der Frequenz dargestellt. Die Kurven 30-32 repräsentieren die Arbeitsweise einesIn Fig. 4 the break-up distance is shown as a function of the frequency. Curves 30-32 represent the operation of a

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-ν- to-ν- to

Tintenmodulators mit einem 165°-Kristall, angetrieben mit einer konstanten 30 Volt Kristall-Ansteuerspannung. Speziell veranschaulicht Kurve 30 die Änderung des Tintentropfenaufbrechabstandes gegenüber der Düse für Tropfenraten im 50 bis 88 kHz-Bereich, wo der Tintendruck auf 47 psig (engl. Pfund pro Quadratzoll, wie abgelesen) gehalten wird. Für Drücke zwischen 50 und 60 psig ändert sich der Aufbrechabstand entsprechend Kurve 30, wo dieser eine negative Neigung von ungefähr 0,002 Zoll pro kHz besitzt. Ferner folgt der Aufbrechabstand der Kurve 30, wo diese eine negative Neigung von ungefähr 0,012 Zoll pro kHz besitzt, und zwar zwischen Tropfenraten von 60 und 73 kHz, während die Veränderung entsprechend Kurve 30 erfolgt, wo diese eine negative Neigung von ungefähr 0,0003 Zoll pro kHz besitzt, und zwar zwischen Tropfenraten von 73 bis 90 kHz.Ink modulator with a 165 ° crystal, driven by a constant 30 volt crystal control voltage. Specifically, curve 30 illustrates the change in ink drop breakup distance compared to the nozzle for drop rates in the 50 to 88 kHz range, where the ink pressure is reduced to 47 psig (pounds per square inch, as read) is held. For pressures between 50 and 60 psig, the breakaway distance changes according to curve 30, where it has a negative slope of about 0.002 inches per kHz. Furthermore, the break-up distance follows curve 30, where this has a negative slope of about 0.012 inches per kHz between drop rates of 60 and 73 kHz, while the Change occurs according to curve 30 where it has a negative slope of about 0.0003 inches per kHz between drop rates from 73 to 90 kHz.

Die Kurve 31 veranschaulicht die Änderung des Aufbrechabstandes, wenn die Tropfenrate von 34 bis 62 kHz verändert wird. Zwischen 34 und 40 kHz folgt der Aufbrechabstand der Kurve 31, wo diese eine negative Neigung von ungefähr 0,0025 Zoll pro kHz besitzt. Zwischen 40 und 48 kHz ändert sich jedoch der Aufbrechabstand entsprechend Kurve 31, wo diese eine positive Neigung von annähernd 0,0019 Zoll pro kHz aufweist. Der Aufbrechabstand folgt Kurve 31, wo diese eine negative Neigung von ungeführ o,oo1o4 Zoll pro kHz besitzt, bei Tropfenraten zwischen 48 und 62 kHz. Die Kurve 32 veranschaulicht die Änderung des Aufbrechabstands, wenn die Tropffenrate verändert wird von 20 bis 50 kHz bei einem konstanten Tintendruck von 20 psig. Zwischen 20 und 25 kHz ändert sich der Aufbrechabstand gemäß Kurve 32, wo diese eine negative Neigung von0,004 Zoll pro kHz besitzt. Keine feststellbare Änderung des Aufbrechabstandes wird zwischen 25 und 50 kHz festgestellt.Curve 31 illustrates the change in the break-up distance when the drop rate is changed from 34 to 62 kHz. Between At 34 and 40 kHz, the break-up distance follows curve 31 where it has a negative slope of about 0.0025 inches per kHz. Between 40 and 48 kHz, however, the break-up distance changes according to curve 31, where this has a positive slope of approximately 0.0019 inches per kHz. The breakaway distance follows curve 31, where this has a negative slope of about 0.0104 inches per kHz with drop rates between 48 and 62 kHz. Curve 32 illustrates the change in break up distance as the drip rate increases is varied from 20 to 50 kHz at a constant ink pressure of 20 psig. The changes between 20 and 25 kHz Breakaway distance along curve 32 where it has a negative slope of 0.004 inches per kHz. No noticeable change in the The breakaway distance is determined to be between 25 and 50 kHz.

Aus einer Betrachtung der Fig. 4 erkennt man, daß eine maximale Abweichung von ungefähr 0,04ZoIl hinsichtlich des Aufbrechabstandes zwischen 50 und 90 kHZ bei 47 psig auftritt. Ferner tritt eine maximale Abweichung von annähernd 0,015 Zoll zwischen 34 und 62 kHz bei 29 psig auf, und eine maximale Abweichung von ungefähr 0,02 Zoll ergibt sich zwischen 20 und 50 kHz bei 20 psig.From a consideration of Fig. 4 it can be seen that a maximum deviation of approximately 0.04 inch with respect to the breakaway distance occurs between 50 and 90 kHz at 47 psig. Also, there is a maximum deviation of approximately 0.015 inches between 34 and 62 kHz at 29 psig, and a maximum deviation of about 0.02 inches occurs between 20 and 50 kHz at 20 psig.

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Fig. 5 zeigt einen feststoffgefüllten (soliden) Tintenmodulator, der verbesserte Betriebseigenschaften gegenüber dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 zeigt. Fig. 5 shows a solid-filled (solid) ink modulator, which shows improved operating characteristics compared to the embodiment of FIGS.

Ein Strömungsmittelzuführrohr 35 verläuft durch eine Mittelbohrung 36 eines halbkugelförmigen piezoelektrischen Kristalls 37. Eine ringförmige Lufttasche ist zwischen Rohr 35 und den Wänden der Bohrung 36 vorgesehen, um Rohr 35 gegenüber Radialvibrationen oder Schwingungen des Kristalls zu isolieren. Das Rohr 35 wird an seinem Platz durch eine Epoxyhalterung 38 gehalten, die an der konvexen Oberfläche des Kristalls 37 anhaftend befestigt ist. Die Konkavität des Kristalls 37 ist mit Epoxy angefüllt, in dem die Düse 39 befestigt und eingefangen ist. Eine Bohrung 40 ist vom Ende des Rohrs 35 aus vorgesehen, um einen Strömungsmittelpfad zwischen Rohr 35 und Düse 39 vorzusehen. Die Bohrung 40 ist mit dem Rohr 35 und der Düse 39 auf einer Longitudinalachse ausgerichtet, die durch den Krümmungsmittelpunkt des Kristalls verläuft. A fluid supply tube 35 extends through a central bore 36 of a hemispherical piezoelectric crystal 37. An annular air pocket is between tube 35 and the walls the bore 36 is provided to isolate tube 35 from radial vibrations or oscillations of the crystal. The pipe 35 is held in place by an epoxy retainer 38 adhesively attached to the convex surface of crystal 37. The concavity of the crystal 37 is filled with epoxy in which the nozzle 39 is attached and captured. A hole 40 is provided from the end of tube 35 to provide a fluid path between tube 35 and nozzle 39. The bore 40 is aligned with tube 35 and nozzle 39 on a longitudinal axis passing through the center of curvature of the crystal.

Der Kristall 37 ist mit Elektroden 41 und 42 an den äußeren bzw. inneren konkaven Oberflächen des Kristalls versehen. Die Elektroden sind voneinander durch die nicht leitende, ringförmige Kante des Kristalls isoliert. Ein Ansteuerleiter 43 ist elektrisch mit Elektrode 41 und ein Ansteuerleiter 44 ist elektrisch mit der Elektrode 42 verbunden. Die ringförmige Kristallkante liegt gegenüber Luft frei, um die Düse 39 gegenüber radialen Kristallschwingungen zu isolieren.The crystal 37 is provided with electrodes 41 and 42 on the outer and inner concave surfaces of the crystal, respectively. The electrodes are isolated from each other by the non-conductive, ring-shaped edge of the crystal. A control conductor 43 is electrically with Electrode 41 and a drive conductor 44 are electrically connected to electrode 42. The ring-shaped crystal edge is opposite Air free to isolate the nozzle 39 from radial crystal vibrations.

Die den Modulatorkörper umfassende Epoxyhalterung 38 ist von einer Art, wie sie von der HYSOL Division der Dexter Corporation in Olean, New York, USA, hergestellt und verkauft wird, und zwar unter der Modell-Bezeichnung Nr. 1C. Die Epoxyfüllung umschließt vollständig sämtliche Modulatorteile mit der Ausnahme des äußersten ringförmigen Endes des Kristalls 37, der öffnung der Düse 39 und dem Teil des Rohrs 35, der zur Verbindung mit der Tintenversorgung freiliegt.The epoxy bracket 38 comprising the modulator body is of a Type as manufactured and sold by the HYSOL Division of Dexter Corporation in Olean, New York, USA under the model designation No. 1C. The epoxy filling completely encloses all modulator parts with the exception of the outermost one annular end of the crystal 37, the opening of the nozzle 39 and the part of the tube 35 which is used for connection to the ink supply exposed.

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Es wurde festgestellt, daß dann, wenn die Halterung 38 eine andere Form als eine halbkugelförmige Form konzentrisch zum Kristall 37 aufweist, die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer stehenden akustischen Welle im Modulatorkörper beträchtlich vermindert wird.It has been found that when the bracket 38 has a different Shape as a hemispherical shape concentric with the crystal 37, the probability of occurrence of a standing one acoustic wave in the modulator body is considerably reduced.

Das Stromungsmittelzuführrohr 35 besteht aus Nylon und besitzt einen Aussendurchmesser von annähernd 0,042 Zoll. Die Bohrung des Kristalls 37 hat annähernd 0,062 Zoll Durchmesser. Rohr 35 erstreckt sich über die konkave Kristalloberfläche um einen Abstand von 0,030 Zoll hinaus. Die ringförmige Lufttasche 36 ist annähernd 0,010 Zoll breit zwischen dem Rohr 35 und den Wänden der Bohrung 36. Die Düse 39 besteht aus einem zylindrischen Rubin mit einer Länge von annähernd 0,031 Zoll und einem Durchmesser von annähernd 0,046 Zoll.The flow medium supply pipe 35 is made of nylon and has an outside diameter of approximately 0.042 inches. The bore of crystal 37 is approximately 0.062 inches in diameter. Tube 35 extends across the concave crystal surface a distance 0.030 inches beyond. The annular air pocket 36 is approximately 0.010 inches wide between the tube 35 and the walls the bore 36. The nozzle 39 is made from a cylindrical ruby approximately 0.031 inches long and diameter of approximately 0.046 inches.

Im Betrieb wird Tinte unter Druck in das Rohr 35 und die zur Düse 39 führende Bohrung 40 hineingelassen. Wenn der Kristall 37 mit einem an die Ansteuerleiter 43 und 44 angelegten Spannungsimpuls erregt wird, so wird die Tinte in der Bohrung 40 druckmoduliert. Die Druckwelle wird durch die Düse 39 hinunter in den Tintenstrom zum Tröpfchenaufbrechpunkt übertragen.In operation, ink is let into the tube 35 and the bore 40 leading to the nozzle 39 under pressure. When the crystal 37 is excited with a voltage pulse applied to the drive conductors 43 and 44, the ink in the bore 40 is pressure-modulated. The pressure wave is transmitted down through nozzle 39 into the ink stream to the droplet break-up point.

Wie beim Tintenmodulator gemäß Fig. 1 besitzt jeder Teil des solide gefüllten Modulators körperliche Abmessungen, die kleiner sind als die halbe Wellenlänge bei der kürzesten, stehenden, akustischen Welle, die bei den höchsten betreibbaren Tropfenfrequenzraten in einem Gebilde aus dem gleichen Material wie das in Rede stehende Teil erzeugt werden kann. Dadurch wird eine größere Bandbreite von Tropfenraten vorgesehen, innerhalb welcher größere Änderungen des Tintendrucks toleriert werden können als bei dem mit Flüssigkeit gefüllten Modulator der Fig. 1.As with the ink modulator of Fig. 1, each part of the solidly filled modulator has physical dimensions that are smaller are than half the wavelength for the shortest standing acoustic wave at the highest operable drop frequency rates can be produced in a structure made of the same material as the part in question. This creates a greater range of drop rates provided within which larger changes in ink pressure can be tolerated than in the case of the liquid-filled modulator of FIG. 1.

Fig. 6 zeigt den Aufbrechabstand abhängig von Frequenzbetriebskennlinien des solide gefüllten Modulators der Fig. 5.Fig. 6 shows the break-up distance as a function of frequency operating characteristics of the solidly filled modulator of FIG. 5.

Die Kurven 50-53 stellen den Betrieb des solide gefüllten Modulators bei einer konstanten 120 Volt Kristall-Ansteuerspannung dar.Curves 50-53 represent the operation of the solidly filled modulator at a constant 120 volt crystal control voltage.

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Die Kurve 50 stellt die Veränderung des Tintentropfenaufbrechabstandes von der Düse dar, und zwar bei einer Veränderung der Betriebsfrequenz zwischen 55 und 127 kHz bei 64 psig. Keine unterscheidbare Änderung des Aufbrechabstandes kann unterhalb 106 kHz festgestellt werden. Zwischen 106 kHz und 127 kHz ändert sich jedoch der Aufbrechabstand gemäß Kurve 50, wo diese ihre negative Neigung von ungefähr 0,0005 Zoll pro kHz besitzt.Curve 50 represents the change in the ink drop break-apart distance from the nozzle with a change in operating frequency between 55 and 127 kHz at 64 psig. No distinguishable change in the break-open distance can be determined below 106 kHz. Changes between 106 kHz and 127 kHz however, the breakaway distance is shown by curve 50, where it has its negative slope of about 0.0005 inches per kHz.

Die Kurve 51 zeigt Änderungen des Aufbrechabstandes bei Veränderung der Betriebsfrequenz zwischen 47 kHz und 96 kHz bei einem Tintendruck von 47 psig. Zwischen 47 kHz und 59 kHz ändert sich der Aufbrechabstand gemäß Kurve 51, wo diese eine negative Neigung von 0,00038 Zoll pro kHz besitzt. Zwischen 59 und 96 kHz ändert sich der Aufbrechwiderstand entsprechend Kurve 51, wo diese eine positive Neigung von 0,0028 Zoll pro kHz aufweist.Curve 51 shows changes in the break-open distance when there is a change the operating frequency between 47 kHz and 96 kHz at 47 psig ink pressure. Changes between 47 kHz and 59 kHz the breakaway distance of curve 51 where it has a negative slope of 0.00038 inches per kHz. Between 59 and 96 kHz the break resistance changes according to curve 51, where it has a positive slope of 0.0028 inches per kHz.

Die Kurve 52 zeigt die Aufbrechabstandsvariation, wenn die Betriebsfrequenz zwischen 29 und 70 kHz bei einem Tintendruck von 29 psig geändert wird. Zwischen 29 und 46 kHz ändert sich der Aufbrechabstand gemäß«Kurve 52, wo diese eine positive Neigung von 0,0006 Zoll pro kHz aufweist. Der Aufbrechabstand folgt Kurve 52, wo diese eine negative Neigung von 0,0044 Zoll pro kHz besitzt, und zwar zwischen 46 und 54 kHz. Ferner ändert sich der Aufbrechwiderstand gemäß Kurve 52 dort, wo diese eine positive Neigung von 0,0012 Zoll pro kHz zwischen 54 und 70 kHz besitzt. Curve 52 shows the breakaway distance variation when the operating frequency is changed between 29 and 70 kHz at 29 psig ink pressure. The changes between 29 and 46 kHz Breakaway distance according to curve 52, where it has a positive slope of 0.0006 inches per kHz. The breakaway distance follows Curve 52 where it has a negative slope of 0.0044 inches per kHz between 46 and 54 kHz. Further changes the break resistance of curve 52 where it has a positive slope of 0.0012 inches per kHz between 54 and 70 kHz.

Die Kurve 53 veranschaulicht die Änderungen des Aufbrechabstandes, die auftreten, wenn die Betriebsfrequenz zwischen 2 3 und 51 kHz bei 20 psig verändert wird. Zwischen 2 3 und 29 kHz folgt der Aufbrechabstand der Kurve 53, wo diese eine negative Neigung von 0,003 Zoll pro kHz besitzt. Ferner ändert sich der Aufbrechabstand gemäß Kurve 53, wo diese eine positive Neigung von 0,0006 Zoll pro kHz zwischen 29 und 46 kHz aufweist. Zwischen 46 und 41 kHz folgt jedoch der Aufbrechabstand der Kurve 53, wo diese eine negative Neigung von 0,002 Zoll pro kHz besitzt.Curve 53 illustrates the changes in the breakaway distance, which occur when the operating frequency is changed between 2 3 and 51 kHz at 20 psig. Between 2 3 and 29 kHz the breakaway distance follows curve 53 where it has a negative slope of 0.003 inches per kHz. Furthermore, the changes Breakaway distance according to curve 53, where it has a positive slope of 0.0006 inches per kHz between 29 and 46 kHz. Between However, at 46 and 41 kHz the break-up distance follows curve 53 where it has a negative slope of 0.002 inches per kHz.

Die maximale Auslenkung oder Abweichung des Aufbrechabstandes bei einem Tintendruck von 64 psig beträgt 0,01 Zoll zwischenThe maximum deflection or deviation of the breakaway distance at 64 psig ink pressure is 0.01 inches between

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und 127 kHz. Die maximale Abweichung bei 47 psig beträgt O,O3O Zoll zwischen 47 und 96 kHz. Zwischen 29 und 70 kHz ist die maximale Abweichung O,O35 Zoll bei 29 psig.Ferner beträgt die maximale Abweichung bei 20 psig 0,02 Zoll zwischen 23 und 51 kHz.and 127 kHz. The maximum deviation at 47 psig is 0.03O Inches between 47 and 96 kHz. Between 29 and 70 kHz, the maximum deviation is 0.035 inches at 29 psig. Furthermore, the maximum is Deviation at 20 psig 0.02 inches between 23 and 51 kHz.

Der solid oder voll gefüllte Modulator nimmt somit eine größere Abweichung des Tintendrucks über eine größere Bandbreite der Tropfenraten auf,als dies für den flüssigkeitsgefüllten Modulator der Fig. 1 der Fall ist.The solid or fully filled modulator thus takes a larger deviation in the ink pressure over a larger bandwidth of the Drop rates than this for the liquid-filled modulator 1 is the case.

Wo der Tintendruck und die Kristallansteuerspannung des feststoffgefüllten (solid gefüllten) Modulators dynamisch eingestellt werden kann, wenn die Frequenz zwischen 25 und 125 kHz variiert wird, wurde eine Variation des Aufbrechabstandes von weniger als - 0,020 Zoll gegenüber einer im wesentlichen linearen Norm über den gesamten Betriebsbereich hinweg beobachtet.Where the ink pressure and the crystal drive voltage of the solid-filled (solid filled) modulator can be adjusted dynamically if the frequency varies between 25 and 125 kHz there would be a variation in breakaway distance of less than -0.020 inches from a substantially linear norm across observed throughout the operating range.

Ein Vergleich der Tröpfchenaufbrechabstände über die entsprechenden Betriebsbereiche der hier beschriebenen, mit Flüssigkeit und mit Feststoff angefüllten Modulatoren hinweg zeigt einen kürzeren Aufbrechabstand für den mit Feststoff angefüllten Modulator bei jeder betriebsfähigen Ansteuerspannung. Ferner ist die durchschnittliche Abweichung der Aufbrechabstände gegenüber im wesentlichen linearen Normen doppelt so groß für den mit Flüssigkeit gefüllten Modulator als für den mit Feststoff gefüllten-Modulator. A comparison of the droplet break-up distances over the corresponding Operating ranges of the liquid and solid filled modulators described herein are shown in FIG shorter break-open distance for the modulator filled with solids at every operational control voltage. Furthermore, the average deviation of breakaway distances from essentially linear norms twice as great for the one with liquid filled modulator than for the solid-filled modulator.

Fig. 7 zeigt Frequenz-Druck-Betriebskennlinien des mit Feststoff gefüllten Modulators der Fig. 5 bei einer konstanten 120 Volt Kristall-Ansteuerspannung.FIG. 7 shows frequency-pressure operating characteristics of the solid-filled modulator of FIG. 5 at a constant 120 volt crystal control voltage.

Zwischen einer Niederdruckgrenzkurve 6O und einer Hochdruckgrenzkurve 61 kann der Tintendruck auf irgendeine Frequenz zwischen 2O und 1OO kHz variiert werden, ohne daß Satellitentröpfchen erzeugt werden. Die untere Grenzkurve 60 tritt auf, wenn entweder die Tintentröpfchen fast tangential im Tintenstrom verlaufen oder ein Satellitenzustand auftritt. Bei derBetween a low pressure limit curve 6O and a high pressure limit curve 61 the ink pressure can be varied to any frequency between 20 and 100 kHz without satellite droplets be generated. The lower limit curve 60 occurs when either the ink droplets are almost tangential in the ink stream run or a satellite condition occurs. In the

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durch Kurve 61 dargestellten Hochdruckgrenze fangen Satellitentröpfchen an sich zu bilden.The high pressure limit represented by curve 61 traps satellite droplets to form in itself.

Die Fig. 8 veranschautlicht den Tropfenabstand, abhängig von Frequenzeigenschaften des feststoffgefüllten Modulators der Fig. 5.FIG. 8 illustrates the drop spacing as a function of the frequency properties of the solid-filled modulator of FIG Fig. 5.

Innerhalb der Betriebsfrequenz-Druckumhüllenden gemäß Fig. 7 und mit einer konstanten 120 Volt Kristall-Ansteuerspannung kann die Betriebsfrequenz des feststoffgefüllten Modulators zwischen 20 und 130 kHz verändert werden, um die Tropfenabstandsgrenzen zu bestimmen,wie sie als eine Kurve 70 und eine Line 71 in Fig. 8 dargestellt sind. Die Kurve 70 definiert die maximale Tropfenabstandsgrenze,oberhalb welcher ein Satellitenzustand auftritt. Die Vertikallinie 71 zeigt den minimalen Tropfenabstand an, der erreicht werden kann. Da der Tropfchendurchmesser annähernd 0,004 Zoll beträgt, ist der minimale Tropfenmittenabstand bei 0,001 Zoll Tropfentrennung annähernd 0,005 Zoll.Within the operating frequency pressure envelope according to FIG. 7 and with a constant 120 volt crystal drive voltage, the operating frequency of the solid-filled modulator between 20 and 130 kHz can be changed to the droplet spacing limits determine how to use them as a curve 70 and a line 71 are shown in FIG. Curve 70 defines the maximum droplet spacing limit above which a satellite condition occurs. The vertical line 71 indicates the minimum drop spacing that can be achieved. Because the droplet diameter is approximately 0.004 ", the minimum drop center spacing at 0.001" drop separation is approximately 0.005 ".

Wenn die Kristallansteuerspannung und der Tintendruck dynamisch mit einer Frequenzänderung eingestellt werden, so erzeugt der Modulator satellitenfreie Tröpfchen von 5 kHz bis oberhalb 160 kHz.When the crystal drive voltage and the ink pressure are dynamically adjusted with a frequency change, the Modulator satellite-free droplets from 5 kHz to above 160 kHz.

Fig. 9 veranschaulicht einen Tropfen-ein-Befehls-Tintenmodulator mit einer positiven Verdrängung, gemäß der Erfindung.Figure 9 illustrates a drop-on-command ink modulator with a positive displacement, according to the invention.

Ein Stromungsmittelspeiserohr 80 mit einer Strömungseinschränkung 80a ist abdichtend durch Preßpassung in eine Bohrung 81 einer Epoxyhalterung 82 eingesetzt. In Strömungsmittelverbindung mit der Bohrung 81 befindet sich eine Mittelbohrung 83 eines 150 bis 165 Grad halbkugelförmigen piezoelektrischen Kristalls 84. Die konkaven und konvexen Oberflächen des Kristalls 84 sind mit Elektroden ausgestattet, um Elektroden 85 bzw. 86 vorzusehen. Eine zweite solide (d.h. aus einem Feststoff bestehende) Epoxyhalterung 87 ist mit einem Epoxyklebemittel an Halterung 82 klebend befestigt und in Berührung mit der konvexen Oberfläche eines 150 bis 180 Grad halbkugelförmigen piezo-A flow medium feed tube 80 with a flow restriction 80a is sealingly inserted into a bore 81 of an epoxy holder 82 by an interference fit. In fluid communication with the bore 81 is a central bore 83 of a 150 to 165 degree hemispherical piezoelectric Crystal 84. The concave and convex surfaces of crystal 84 are provided with electrodes, electrodes 85 and 86, respectively to be provided. A second solid (i.e., solid) epoxy mount 87 is attached with an epoxy adhesive Bracket 82 adhesively attached and in contact with the convex surface of a 150 to 180 degree hemispherical piezo

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elektrischen Kristalls 88 ausgebildet. Die konvexen und konkaven Oberflächen des Kristalls 88 sind mit Elektroden ausgestattet, um Elektroden 89 bzw. 90 vorzusehen.electric crystal 88 is formed. The convex and concave surfaces of the crystal 88 are equipped with electrodes, to provide electrodes 89 and 90, respectively.

Zwischen der konkaven Oberfläche des Kristalls 84 und einer konusförmigen Vertiefung in Halterung 87 ist eine Tintenkammer 91 ausgebildet, und zwar definiert durch Krümmungsradien zwischen dem Krümmungsmittelpunkt des Kristalls 84 und äußeren Innenkanten des Kristalls. Mit der Halterung 87 und der ringförmigen Kante des Kristalls 88 ist eine Düseplatte 92 mit einer Düse 93 verbunden. Zwischen Düsenplatte 92 und der konkaven Innenoberfläche des Kristalls 88 befindet sich eine zweite Tintenkammer 94. Eine Mittelbohrung 95 des Kristalls 88 bildet einen Strömungspfad zwischen Kammern 91 und 94. Rohr 80, Bohrungen 81 und 83, Kammer 91, Bohrung 95, Kammer 94 und Düse 93 stehen in Strömungsmittel verbindung.Between the concave surface of the crystal 84 and a cone-shaped one In the recess 87, an ink chamber 91 is formed, specifically defined by radii of curvature between the Center of curvature of crystal 84 and outer inner edges of the crystal. With the bracket 87 and the annular edge of the crystal 88, a nozzle plate 92 is connected to a nozzle 93. Between nozzle plate 92 and the concave inner surface A second ink chamber 94 is located of the crystal 88. A central bore 95 of the crystal 88 forms a flow path between chambers 91 and 94. Tube 80, bores 81 and 83, chamber 91, bore 95, chamber 94 and nozzle 93 are in fluid link.

Der Tropfen-ein-Befehls-Modulator hat vorzugsweise Zylinderform mit einer Länge von ungefähr 0,50 Zoll und einem Durchmesser von ungefähr 0,05 Zoll. Rohr 80 ist ein Nylonrohr mit einem Aussendurchmesser von annähernd 0,045 Zoll. Bohrungen 81 und 83 haben jeweils annähernd 0,027 Zoll Durchmesser und Bohrung 95 hat einen Durchmesser von ungefähr 0,015 Zoll.The drop-on-command modulator is preferably cylindrical in shape approximately 0.50 inches long and about 0.05 inches in diameter. Tube 80 is a nylon tube with an outside diameter of approximately 0.045 inches. Bores 81 and 83 are each approximately 0.027 inches in diameter and bore 95 has one About 0.015 inches in diameter.

Im Betrieb wird der Kristall 84 angeregt, um den Tintendruck in der Tintenkammer 94 zu erhöhen. Der durch den Kristall 84 erzeugte Strömungsmittel-Diodenbetrieb und die Einschränkung 80a im Rohr 80 wirken gemeinsam, um im wesentlichen einen Druckabfall in der Tintenkammer 94 zu verhindern. Wenn somit der Kristall 88 während der Periode angeregt, wo der Druck in der Kammer 94 angehoben ist, so ist eine relativ kleine Versetzung des Kristalls 88 erforderlich, um einen Abfall an Düse 93 zu erzeugen.In operation, the crystal 84 is excited to increase the ink pressure in the ink chamber 94. The one produced by the crystal 84 Fluid diode operation and the restriction 80a in tube 80 work together to provide essentially a pressure drop in the ink chamber 94 to prevent. Thus, if the crystal 88 is excited during the period when the pressure in the chamber 94 is raised, a relatively small displacement of the crystal 88 is required to create a drop at nozzle 93.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Kristall 88 bis zu 10 Mikrosekunden nach der Erregung des Kristalls 84 erregt. Ferner sind die jeden der Kristalle ansteuernden Impulse derart ge-In the preferred embodiment, crystal 88 is energized up to 10 microseconds after crystal 84 is energized. Further are the impulses that control each of the crystals

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formt, da3 sie Anstiegszeiten besitzen, die annähernd 1/4 der Abklingzeiten sind- Die Abklingzeiten sind größer als die Anstiegszeiten, um das Einsaugen von Luft in die Tintenkammer 94 zu verhindern.shapes that they have rise times that are approximately 1/4 of the decay times - the decay times are greater than the rise times, to prevent air from being drawn into the ink chamber 94.

Fig. 10 zeigt einen erfindungsgemäßen Tropfen-ein-Befehls-Modulator und ferner eine Ventilleitung 100, wie dies in U.S. Patent 1 329 559 beschrieben ist.Fig. 10 shows a drop-on-command modulator according to the invention and also a valve line 100, as described in U.S. U.S. Patent 1,329,559.

Gemäß Fig. 10 wird die Ventilleitung 100 stromaufwärts gegenüber dem Tintenreservoir eines erfin'dungsgemäßen Tintenmodulators verwendet. Insbesondere ist ein Strömungsmittelspeiserohr 1O1 abdichtend mittels Preßsitz in eine durchgehende Längsbohrung 1O2 einer soliden Epoxyhalterung 103 eingesetzt. Auf einer ersten Sei te der Bohrung 102 befinden sich Strömungsmittelkanäle 1O4 und 105, die eine entgegenwirkende Strömungsmittelrückkopplung zur Bohrung 102 vorsehen. Auf einer entgegengesetzten Seite und versetzt gegenüber den Kanälen 104, 105 befinden sich Strömungsmittelkanäle 106 und 107, die ebenfalls eine entgegengesetzte Strömungsmittelrückkopplung zur Bohrung 102 vorsehen.According to FIG. 10, the valve line 100 is upstream of the ink reservoir of an ink modulator according to the invention used. In particular, a fluid feed pipe 1O1 is sealingly by means of a press fit in a continuous longitudinal bore 1O2 a solid epoxy mount 103 is used. On a first side of the bore 102 there are fluid channels 104 and 10 105 which provide counteractive fluid feedback to bore 102. On an opposite side and offset opposite the channels 104, 105 are fluid channels 106 and 107, which also have opposite fluid feedback to provide for bore 102.

Anstoßend an und verbunden mit der Halterung 103 ist eine solide (aus Feststoff bestehende) Halterung 108 mit einer hindurchgehenden Bohrung 109 vorgesehen. Ein Strömungsmittelrohr 11O ist abdichtend durch Preßsitz in Bohrungen 102 und 109 eingesetzt. Bohrung 109 ist mit Bohrung 102 ausgerichtet und führt zu einer Mittelbohrung 111 eines 150 bis 180 Grad halbkugelförmigen piezoelektrischen Kristalls 112, der im Gehäuse 108 sitzt. Die konvexen und konkaven Oberflächen des Kristalls 112 sind mit Elektroden ausgestattet, um Elektroden 113 bzw. 114 vorzusehen. Mit der Halterung oder dem Gehäuse 108 und der ringförmigen Kante des Kristalls 112 ist eine Düsenplatte 115 mit einer Düse 116 verbunden. Ein Tintenreservoir 117 ist zwischen der konkaven Oberfläche der Elektrode 114 und der Düsenplatte 115 ausgebildet. Die Bohrung 102, Rohr 110, Bohrungen 109 und 111, Kammer 117 und Düse 116 stehen in Strömungsmittelverbindung.Adjacent to and connected to the holder 103 is a solid holder 108 (consisting of solid matter) with a through-going one Hole 109 is provided. A fluid tube 110 is sealing inserted into bores 102 and 109 by a press fit. Bore 109 is aligned with bore 102 and leads to a central bore 111 of a 150 to 180 degree hemispherical piezoelectric Crystal 112, which sits in the housing 108. The convex and concave surfaces of the crystal 112 are with electrodes equipped to provide electrodes 113 and 114, respectively. With the bracket or housing 108 and the annular edge of the Crystal 112, a nozzle plate 115 is connected to a nozzle 116. An ink reservoir 117 is formed between the concave surface of the electrode 114 and the nozzle plate 115. The hole 102, tube 110, bores 109 and 111, chamber 117 and nozzle 116 are in fluid communication.

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Im Betrieb läßt man un:er Druck stehende Tinte in das Rohr 101 und durch Bohrung 102 in die Tintenkammer 117 eintreten. Wenn der Kristall 112 angeregt ist, so steigt der Druck der Tintenkammer 117 an, um einen Tintentropfen an Düse 116 zu erzeugen. Die Stromungsmittelkanäle 104 bis 107 sind derart geformt, daß sie eine Strömungsmittelflußeinschränkung vom Rohr 110 zum Rohr 101 vorsehen. Auf diese Weise wird der Druckanstieg in Kammer 117 nicht durch die Tintenversorgungsleitung abgeleitet.In operation, under pressure, ink is allowed to enter tube 101 and through bore 102 into ink chamber 117. if the crystal 112 is excited, the pressure of the ink chamber increases 117 to create a drop of ink at nozzle 116. The flow medium channels 104-107 are shaped to impose a restriction on fluid flow from the tube 110 to the Provide pipe 101. In this way, the pressure rise in chamber 117 is not diverted through the ink supply line.

Gemäß dem in Fig. 11 gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein halbzylindrischer piezoelektrischer Kristall 212 in einem Epoxy-Material 213 in einer beispielsweise aus Teflonmaterial bestehenden Trägerbasis 211 eingebettet. Das Epoxy und Teflon erzeugen, wie im folgenden erläutert, eine Dämpfung und Abschwächung. Die beispielsweise aus Teflon bestehende Basis 211 besitzt eine Ausnehmung zur Aufnahme des piezoelektrischen Kristalls. Der Kristall wird sodann in der Basis 211 eingebettet und darin durch das Epoxy 213 gehalten. Der Kristall hat auf beiden Seiten (nicht dargestellte) Kontaktzonen und es wird mit diesen durch die Kontaktdrähte 222 und 223 Kontakt hergestellt. Diese Drähte können in dem Epoxyharz eingebettet sein und durch einen Teil desselben hindurch verlaufen, um Kontakt mit dem eingebetteten Kristall herzustellen. Eine Dichtung 221 paßt unter den eingebetteten Kristall und dichtet die Tintenkammer ab, wenn die Zumeßöffnungsplatte 216 auf der Dichtung angeordnet ist. Vorderplatte 217, Zumeßöffnungsplatte 216 und Dichtung 221 werden in ihrer Position an Basis 211 durch Schrauben 218 gehalten.According to the embodiment shown in FIG. 11, a semi-cylindrical piezoelectric crystal 212 is in an epoxy material 213 in a for example made of Teflon material Carrier base 211 embedded. The epoxy and Teflon create damping and weakening as discussed below. The example Base 211 made of Teflon has a recess for receiving the piezoelectric crystal. The crystal is then embedded in the base 211 and held therein by the epoxy 213. The crystal has on both sides (not contact zones shown) and it is made with these by the contact wires 222 and 223 contact. These wires can be embedded in the epoxy resin and run through part of the same to make contact with the embedded Making crystal. A seal 221 fits under the embedded ones Crystal and seals the ink chamber when orifice plate 216 is placed on the gasket. Front panel 217, orifice plate 216 and seal 221 are in their Position held on base 211 by screws 218.

Die Zumeßöffnungsplatte weist, wie gezeigt, acht Zumeßöffnungen 219 auf, wobei aber abhängig vom gewünschten Zweck und der Verwendung des Druckers auch andere Zahlen von Löchern verwendet werden können.As shown, the orifice plate has eight orifices 219, but depending on the desired purpose and use other numbers of holes can be used on the printer.

In einem Ausführungsbeispiel wurde eine Hälfte eines zylindrischen Kristalls verwendet. Der Kristall war beispielsweise von der Firma Vernitron, Piezoelectric Division of Bedford, Ohio, U.S.A, hergestellt und ist unter der Bezeichnung PZT-5H-Typenmaterial im Handel. Dieses Material hat ein mechanisches Q vonIn one embodiment, one half of a cylindrical Crystal used. For example, the crystal was from Vernitron, Piezoelectric Division of Bedford, Ohio, U.S.A., and is designated PZT-5H type material in trade. This material has a mechanical Q of

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annähernd 6 5 und einen "Belastung pro Feld bei konstanter Be-approximately 6 5 and a "load per field at constant load

-12 anspruchung-Faktor" (D₃₃) von 593 χ 10 m/V. Es wurde die-12 stress factor "(D ₃₃ ) of 593 χ 10 m / V. The

Hälfte eines Zylinders mit einem halben Zoll Durchmesser und einem halben Zoll Länge verwendet. Die Wandstärke betrug 1/32 Zoll.Half of a cylinder half an inch in diameter and half an inch in length used. The wall thickness was 1/32 Customs.

Die Zumeßöffnungsplatte hatte 8 Zumeßöffnungen. Es kann eine Platte mit soviel Zumeßöffnungen wie gewünscht verwendet werden und die Löcher können dicht nebeneinander angeordnet werden, solange nur die Tintentröpfchen sich im Flug nicht gegeneinander stören. Die Platte kann beispielsweise aus rostfreiem Stahl bestehen.The orifice plate had 8 orifices. It can be a Plate with as many orifices as desired can be used and the holes can be placed close to each other, as long as the ink droplets do not interfere with each other in flight. The plate can be made of stainless steel, for example Made of steel.

Fig. 12 zeigt eine Draufsicht auf die zusammengebaute Kanone, bei welcher die Basis 211 den Kristall 212 darinnen eingebettet und an seinem Platz gehalten durch das Epoxy 213 aufweist. Rohre 214 und 215 werden verwendet, um der Kanone Tinte zuzuführen und um den Hohlraum zu spülen. Die Dichtung 221 sitzt auf der Oberseite der Basis 211 und über den Enden des Zylincers 212, um die Tintenkammer längs der Kanten desselben abzudichten.Figure 12 shows a top view of the assembled cannon with the base 211 embedded therein with the crystal 212 and held in place by the epoxy 213. Tubes 214 and 215 are used to deliver ink to the cannon and to flush the cavity. The seal 221 is seated the top of the base 211 and over the ends of the cylinder 212, to seal the ink chamber along the edges thereof.

Im Betrieb fließt unter Druck stehende Tinte durch die Rchre 214 und die Zumeßöffnungen 219. Anfangs wird das Rohr 21E geöffnet, um jeglichen löslichen Rest, der im Tintenraum vorhanden sein kann, herauszuspülen. Sodann wird das Rohr 215 verschlossen und Tinte tritt nur durch die Düsenzumeßcffnung 219 cus. Spannungsimpulse werden an die Leiter 222 und 223 (in Fio. 12 nicht gezeigt) angelegt, um die Ausdehnung und Zusammenziehung des Kristalls 212 zwischen den Elektroden hervorzurufen. Dadurch wird die Tinte innerhalb des Reservoirs druckmoduliert. Die Druckwelle wird durch die Düsen 219 den Tintenstrom hinab übertragen, was das Aufbrechen des Tintenstroms in Tröpfchen mit der modulierten Rate zur Folge hat.Pressurized ink flows through the tube during operation 214 and the orifices 219. Initially, the pipe 21E is opened, to flush out any soluble residue that may be in the ink chamber. The tube 215 is then closed and ink only passes through nozzle orifice 219 cus. Voltage pulses are applied to conductors 222 and 223 (not shown in Figure 12) to effect expansion and contraction of the crystal 212 between the electrodes. This pressure modulates the ink within the reservoir. The pressure wave is down the stream of ink through nozzles 219 which causes the flow of ink to break up into droplets at the modulated rate.

Die körperlichen Abmessungen des Kristalls sind kleiner als eine halbe Wellenlänge der kürzesten stehenden, akustischen Welle, die bei den höchstenTropfenraten erzeugt wird. DieThe physical dimensions of the crystal are less than half a wavelength of the shortest standing acoustic Wave generated at the highest drop rates. the

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Epoxyverkittung oder -einbettung und der Teflonträger dämpfen und schwächen unerwünschte Resonanzen und Reflexionen, welche Änderungen im Wirkungsgrad mit Änderungen in der Frequenz hervorrufen. Die Impedanz des Kristalls abhängig von der Frequenz ist in Fig. 14 für den Fall dargestellt, daß der Kristall alleine getestet wird. Fig. 15 ist eine Darstellung der Kristallimpedanz für den Fall, daß der Kristall gedämpft wird durch Einbetten in Epoxy in der Teflonbasis. Eine große Bandbreite von Tropfenratenfrequenzen wird dadurch vorgesehen, die weit genug unterhalb irgendeiner ungedämpften mechanischen Resonanzfrequenz des Modulators liegt, um in wirkungsvoller Weise von den Effekten sowohl der Resonanzfrequenz als auch Harmonischen derselben getrennt zu sein, die während eines Druckvorgangs angeregt werden könnten.Infolgedessen ist der Tintentropfenaufbrechabstand im wesentlichen über den Betriebsbereich hinweg gleichförmig und die Toleranz des Modulators gegenüber Tropfenrate und Temperatur wird verbessert.Epoxy cementing or embedding and the Teflon support dampen and weaken unwanted resonances and reflections, which Causing changes in efficiency with changes in frequency. The impedance of the crystal depends on the frequency is shown in Fig. 14 in the case where the crystal alone is tested. Fig. 15 is a graph of crystal impedance in the event that the crystal is dampened by embedding it in epoxy in the Teflon base. A wide range of Drop rate frequencies are thereby provided that are far enough below any undamped mechanical resonance frequency of the modulator is to be able to effectively benefit from the effects of both the resonance frequency and harmonics thereof that could be excited during a printing operation. As a result, the ink drop break-up distance is substantially uniform over the operating range and the tolerance of the modulator to drop rate and temperature is improved.

Zur Veranschaulichung der Verwendung der Kanone ist ein typisches System in Fig. 13 dargestellt. Bei diesem System treibt der Kristallantrieb, der über den Frequenzbetriebsbereich hinweg variabel sein kann, den piezoelektrischen Kristal', an. Über 214 zugeführte Tinte tritt durch die Zumeßöffnungen aus und wird durch eine Ladungsanordnung 310 geleitet, welche jedes Tröpfchen veranlaßt, eine elektrische Ladung aufzunehmen. Die Tröpfchen können individuell durch Ladungsverstärker 305 geladen werden, wobei ein Ladungsverstärker pro Strom vorgesehen ist. Alternativ ist es möglich, die Tröpfchen in sämtlichen Strömen gleichzeitig mit einer einzigen Ladeanordnung aufzuladen. Nach dem Hindurchtritt durch die Ladeanordnung 310 laufen die Tröpfchen zwischen Ablenkplatten 311 zu einer Fangvorrichtung 312. Wenn kein Dokument 313 sich vor der Tintenkanone befindet, so werden die Tröpfchen normalerweise in die Fangvorrichtung 312 geleitet, wo die Tinte zurück zu einer Tintenreservoir- und Pumpen-Anordnung 314 läuft, um so in das System wieder zurückgeführt zu werden. Immer dann, wenn ein Dokument 313 bedruckt werden soll, so werden die Tintentröpfchen elektrisch geladen und die Ablenkplatten 311 bewirken, daß die Tintentröpfchen aus der Fangvorrichtung 312 heraus auf das DokumentA typical system is shown in FIG. 13 to illustrate the use of the cannon. With this system drifts the crystal drive, which can be variable over the frequency operating range, the piezoelectric crystal. Ink supplied via 214 exits through the orifices and is passed through a charge assembly 310 which each Droplet causes an electrical charge to be taken up. The droplets can be charged individually by charge amplifiers 305 with one charge amplifier per stream. Alternatively, it is possible to use the droplets in all Streams to charge simultaneously with a single charging arrangement. After passing through, run through the loading assembly 310 the droplets between baffles 311 to a catch 312. If no document 313 is in front of the ink gun is located, the droplets are normally directed into catcher 312 where the ink is returned to an ink reservoir. and pump assembly 314 is running so as to be fed back into the system. Whenever a document 313 is to be printed, the ink droplets become electrical charged and the baffles 311 cause the ink droplets from the safety catch 312 out onto the document

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geleitet werden. Zur Kompensation von Variationen der Strömungsmittelparameter ist eine Phasensteuerung 315 vorgesehen, welche die Ladung auf der Fangvorrichtung 312 infolge der darauf befindlichen geladenen Tintentröpfchen feststellt. Eine Phasensteuer'ing 315 in Verbindung mit der Steuerelektronik 316 steuert den Kristallantrieb 317 und die Ladung, die auf jedes der Tröpfchen aufgebracht wird. Ein Steuersystem der hier gezeigten Art ist im U.S. Patent 3 596 276 beschrieben. Da Mehrfachtintenströme in die Fangvorrichtung geleitet werden, müßte das Phasensteuersystem sequentiell die Phase jedes Tintenstromes feststellen, um die Kompensation für jeden Tintenstrom unabhängig von den anderen Strömen vorzusehen.be directed. To compensate for variations in fluid parameters a phase control 315 is provided, which the load on the safety gear 312 as a result of the detects charged ink droplets on it. A phase control 315 in connection with the control electronics 316 controls the crystal engine 317 and the charge applied to each of the droplets. A tax system here type shown is in U.S. U.S. Patent 3,596,276. Since multiple streams of ink are directed into the safety gear, would have to the phase control system sequentially determines the phase of each ink stream to compensate for each ink stream independently from the other streams.

Abwandlungen der beschriebenen Erfindung liegen im Rahmen der fachmännischen Fähigkeiten.Modifications of the invention described are within the skill of the art.

Die Erfindung sieht zusammenfassend einen Modulator zur Erzeugung von gleichförmigen Flüssigkeitströpfchen über eine große Bandbreite von Tropfenraten hinweg vor. Die konkaven und konvexen Oberflächen eines halbkugelförmigen oder halbzylindrischen piezoelektrischen Kristalls werden mit Elektroden versehen und der dadurch gebildete Wandler sitzt innerhalb einer konkaven Vertiefung und ist mit der Wand dieser Vertiefung verbunden, und zwar in der Stirnseite einer festen Epoxykristallhalterung. Unmittelbar angrenzend an die ringförmige Kante des Wandlers ist eine Ringdichtung angeordnet, und eine Düseplatte ist abdichtend bezüglich der Ringdichtung angeordnet, um eine Flüssigkeitskammer zwischen Platte und Wandler zu bilden. Die körperlichen Abmessungen der Komponententeile des Modulators sind kleiner als die halbe Wellenlänge der kürzesten stehenden akustischen Welle, die bei den höchsten betreibbaren Tropfenfrequenzraten in einem Gebilde aus dem gleichen Material wie das in Rede stehende Material hergestellt werden kann. Die Bandbreite der Betriebsfrequenzen kann erweitert werden, die Toleranz gegenüber Tintendruckveränderungen kann erhöht werden und es ergibt sich ein stabilerer Tröpfchenaufbrechabstand gegenüber der Düsenplatte durch Umhüllung des halbkugelförmigen piezoelektrischen Wandlers in einer solidenIn summary, the invention provides a modulator for generating uniform droplets of liquid over a wide range of drop rates. The concave and convex surfaces of a hemispherical or semicylindrical piezoelectric crystal are made with electrodes provided and the transducer formed thereby sits within a concave recess and is with the wall of this recess connected, in the face of a solid epoxy crystal holder. Immediately adjacent to the ring-shaped A ring seal is arranged on the edge of the transducer, and a nozzle plate is arranged sealingly with respect to the ring seal, to form a fluid chamber between the plate and the transducer. The physical dimensions of the component parts of the modulator are smaller than half the wavelength of the shortest standing acoustic wave, that of the highest operable drop frequency rates in a structure made of the same material as the material in question can be. The bandwidth of the operating frequencies can be expanded, the tolerance to changes in ink pressure can be increased and there is a more stable droplet break-up distance compared to the nozzle plate by enveloping the hemispherical piezoelectric transducer in a solid

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Epoxykristallhalterung und dadurch/ daß man eine Flüssigkeitsspeisebohrung vorsieht, die durch die Mitte des Wandlers zu einer Düse verläuft. Der halbkugelförmige piezoelektrische Wandler kann auch in Tropfen-ein-Befehls-Modulatoren zur Erzeugung von gleichförmigen Flüssigkeitströpfchen in singulärer Weise eingebettet sein.Epoxy crystal holder and thereby / by having a liquid feed hole that runs through the center of the transducer to a nozzle. The hemispherical piezoelectric transducer can also be used in drop-a-command modulators to generate be embedded by uniform droplets of liquid in a singular way.

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Claims

1. Liquid jet modulator for the generation of essentially uniform droplets over a wide range of drop rates, characterized by

a) a hemispherical piezoelectric transducer,

b) a holder (13, 38, ...) with a hemispherical recess in an end face to accommodate the transducer,

c) an arrangement with a nozzle member (18, 39, ...) in sealing relationship with the transducer and with a nozzle orifice (18b, ...) on the axis of the transducer for ejecting liquid and

d) an arrangement for forming a fluid channel for delivery of pressurized liquid to the orifice under the influence of pressure pulses generated by the periodic excitation of the transducer.

2. Modulator according to claim 1, characterized by a sealing member (16, · ..) placed adjacent the annular edge of the transducer to form a liquid seal.

3. Modulator according to claim 1 and / or 2, characterized in that the longitudinal length of the modulator is smaller than the wavelength of the shortest standing longitudinal acoustic wave occurring in the assembled body of the modulator can be generated.

4. modulator according to one or more of the preceding claims, in particular according to claim 1, characterized in that the physical dimensions of the component parts of the modulator are less than half the wavelength of the shortest standing acoustic wave at the highest operating drop frequency rate can be produced in a structure made of the same material as the component part in question.

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5. Modulator according to one or more of the preceding claims, in particular according to claim 1, characterized in that that the converter has the following:

a) a hemispherical piezoelectric crystal,

b) a first electrode (11, 41, ...) attached to the convex Outer surface of the crystal, and

c) a second electrode (12, 42, ...) electrically isolated from of the first electrode and attached to the inner concave surface of the crystal.

6. Modulator according to one or more of the preceding claims, in particular according to claim 5, characterized in that the crystal has a mechanical Q of not more than 70, and that the size d _{33 is} not less than 550 χ 10 ~ ¹² m / volt .

7. Modulator according to one or more of the preceding claims, in particular according to claim 5, characterized in that that the annular edge of the crystal is exposed to air.

8. Modulator according to one or more of the preceding claims, in particular according to claim 1, characterized in that that the transducer is semi-cylindrical and that the nozzle member has multiple orifices therein.

9. Modulator according to one or more of the preceding claims, in particular according to claim 8, characterized in that that the semi-cylindrical transducer is longitudinal and semi-circumferential Has lengths less than half a wavelength at the highest drop rate.

10. Modulator according to one or more of the preceding claims, in particular according to claim 8, characterized in that that the semi-cylindrical transducer has inner and outer surfaces, each of which has a metal coating thereon, with the electrical contact is made.

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11. Modulator according to one or more of the preceding Claims, in particular according to Claim 8, characterized in that the transducer is located within the recess of the support structure is held by an epoxy material and the nozzle plate.

12. Modulator according to one or more of the preceding claims, in particular according to claim 8, characterized in that that electrical contact is made with the concave and convex surfaces of the transducer, and that the transducer is made to vibrate mechanically by applying periodic electrical impulses to the contacts.

13. Modulator according to one or more of the preceding claims, characterized by a hemispherical piezoelectric crystal (10) in an epoxy holder

(13) sits, and that one surface of an annular seal (16) in contact with the holder (13) and the annular edge of the crystal (10) and that a nozzle plate (17) is in sealing contact with the surface of the gasket (16) and an ink reservoir with an electrode (12), wherein in the nozzle plate (17) bores (21, 22, 23, 24 and 25) are formed (Fig. 1, 2).

14. Modulator according to one or more of the preceding claims, characterized by a through a central bore

(36) of a hemispherical piezoelectric crystal (37) extending fluid feed tube (35) between which and the walls of the bore (36) an annular air pocket is formed to protect the pipe (35) against radial vibrations of the Crystal, and wherein the tube (35) is held by an epoxy holder (38) attached to the convex surface of the crystal (37) is attached, and wherein the concave space of the crystal (37) is filled with epoxy, in which a Nozzle (39) is attached and a bore (40) is formed extending from the end of the tube (35) to provide a fluid path to be provided between pipe (35) and nozzle (39), the bore (40) with pipe (35) and nozzle (39) on a longitudinal axis is aligned, which runs through the center of curvature of the crystal (Fig. 5).

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15. Modulator according to one or more of the preceding claims, characterized by a fluid feed pipe (80) with a flow restriction (80a) which is sealingly by press fit in a bore (81) of an epoxy holder (82) sits, with a central bore (83) of a 150 to 165 degree hemispherical piezoelectric crystal (84) is in fluid communication with bore (81) and adhered a second solid epoxy mount (87) to mount (82) and in contact with the convex surface of a 150 to 180 degree hemispherical piezoelectric crystal (88) is formed, with an ink chamber (91) between the concave surface of the crystal (84) of a cone-shaped Recess is formed in the holder (87), and finally a nozzle plate (92) with the holder (87) and the annular edge of the crystal (88) is connected while between the nozzle plate (92) and the concave inner surface of the crystal (88), a second ink chamber (94) is formed, and finally the central bore (95) of the crystal (88) forms a fluid path between the chambers (91 and 94) (Figure 9).

16. Modulator according to claim 15, characterized in that the crystal (88) up to 10 microseconds after Crystal (84) is excited.

17. Modulator according to one or more of the preceding claims, characterized by the valve line described (100) with channels (104, 105, 106, 107) in a holder (103) which is connected to a fixed holder (108), which has a bore (109) therethrough which is aligned with a bore (102) and to a central bore (112) a 150 to 180 degree hemispherical piezoelectric crystal (112) leads, which in said holder (108) sits, and with the holder (108) and the annular edge of the crystal (112) a nozzle plate (115) is connected, so that an ink reservoir (117) is formed (Fig. 10).

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18. Modulator according to one or more of the preceding claims, characterized by a semi-cylindrical piezoelectric Crystal (212) embedded in epoxy material (213) in a support base (211), as well as a seal (221) over the embedded crystal and an orifice plate (216) and a faceplate (217) (Fig. 11).

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