DE2755610B2

DE2755610B2 - Tintenstrahldrucker mit einem Windkanal

Info

Publication number: DE2755610B2
Application number: DE2755610A
Authority: DE
Inventors: Francis Peter New York Giordano; Ferdinand Yorktown Heights Hendriks
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1976-12-20
Filing date: 1977-12-14
Publication date: 1980-02-14
Also published as: DE2755610A1; JPS5725392B2; DE2755610C3; IT1113694B; CA1070749A; GB1590036A; JPS5377626A; US4097872A

Description

In der US-PS 39 72 051 ist ein Tintenstrahldrucker beschrieben, der einen laminaren Luftströmungsdurchgang aufweist, den die Tintentröpfchen passieren, bevor sie auf das zu bedruckende Papier aufschlagen. Die Luftströmung wird durch Saugen am Ende des Durchganges — in der Strömungsrichtung gesehen — hervorgerufen, wobei die Luftströmung vor ihrem Eintritt in den Durchgang nicht gefiltert wird. Demzufolge können aerodynamische Störungen des Luftflusses hervorgerufen werden, wenn die Luft die Lade- und Ablenkelektroden passiert Der Querschnitt des Durchganges ist an beiden Enden rechteckig, wobei der Durchgang einan nicht gleichförmigen Querschnittsabschnitt aufweist in dem die laminare Luftströmung nicht konstante Geschwindigkeit aufweist, und die Geschwindigkeit reduziert wird, wenn sich die Luftströmung dem zu bedruckenden Papier nähert Die Luftströmung weist die halbe Tröpfchengeschwindigkeit auf.

Ohne besondere Sogcharakteristika sind für die Kompensation des aerodynamischen Widerstandes die Vorteile, welche eine vergrößerte Bahnlänge bietet, unerreichbar infolge aerodynamischer Störungen, d. h., es findet beispielsweise ein Tropfenverbinden statt, lange vor dem Durchqueren der doppelten Bahnlänge.

Es ist somit die Aufgabe der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung, einen Windkanal für den Schreibkopf in einem Tintenstrahldrucker zu schaffen, welcher die Vorteile einer vergrößerten Bahnlänge voll zum Tragen kommen läßt d. h., die Tröpfchen nicht innerhalb einer kurzen Entfernung abgelenkt werden müssen, wodurch im wesentlichen die gegenseitige Bewegung der Tröpfchen entkoppelt wird. Bei einem nach der Erfindung aufgebauten Windkanal ist die Geschwindigkeit der Luftströmung im wesentlichen konstant und gleich der Tintentröpfchengeschwindigkeit, so daß ein aerodynamischer Widerstand, der dem Tröpfchen entgegentritt, im wesentlichen ausgeschlossen ist Demzufolge ist die Tropfenablenkung eine erhöht lineare Funktion der Tropf enladung.

Weitere Merkmale der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispielen beschrieben.

Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt eines Windkanals, der eine kreisförmige Eingangsöffnung und eine nicht kreisförmige Ausgangsöffnung aufweist,

F i g. 2 ein Windkanal nach F i g. 1 in schaubildlicher Darstellung ohne die Ladeelektrode,

F i g. 3 eine Teilansicht des den Windkanal bildenden Teiles, wobei der Eingang des Windkanüls einen kreisförmigen Querschnitt hat, der entlang der Längsachse zum Ausgang hin in einen nicht kreisförmigen Querschnitt übergeht, vorzugsweise in einen elliptischen oder rechteckigen,

F i g. 4 aufeinanderfolgende Querschnitte des Windkanals der F i g. 1,

sehen Verzögerung des Tintenstromes erzeugt Der Windkanal ist in allen Tintenstrahldruckern verwendbar und ist nicht begrenzt auf analog ablenkende Drucker oder Drucker, die pro Druckpunkt je eine Düse aufweisen.

In F i g. 1 ist der Windkanal 2 für einen analog ablenkenden Tintenstrahldrucker gezeigt Bei einem derartigen Tintenstrahldrucker werden die aufgeladenen Tröpfchen auf das zu bedruckende Papier ίο abgelenkt, und zwar um einen Winkel, der durch ihre Ladung bestimmt ist Der Windkanal 2 weist das Verbindungsteil 4 auf, das beispielsweise aus einem Isolierstoff, wie Keramik oder Plexiglas, besteht Das Verbindungsteil 4 ist mit einem Innengewinde versehen, um an einem Ende das Gehäuse 6 aufnehmen zu können, das beispielsweise aus Isoliermaterial wie Plexiglas besteht und das andere Ende des Verbindungsteiles 4 dient der Aufnahme der Ladeelektrode 8, die aus einem leitenden Material besteht Das Gehäuse 6 weist den eigentlichen Windkanal 10 auf, dessen Eingangsöffnung 12 einen kreisförmigen Querschnitt und dessen Ausgangsöffnung 14 einen nicht kreisförmigen Querschnitt, vorzugsweise einen elliptischen oder rechteckigen, aufweist. Die Ablenkplatten 18, 20 sind zwischen dem Gehäuse 6 und seinem Spiegelbild durch Verbindungsbolzen 22, 23, 22', 23' eingeklemmt Der Einlaßteil 24, der mit einer nicht gezeigten Gasquelle verbunden ist steht mit einer öffnung im Gehäuse 6 in Verbindung. In diese öffnung ist der poröse Bolzen 25 eingesetzt Es jo sind die Klärkammer 26 und zwei poröse Schirme 28 und 30 vorgesehen, die beispielsweise aus einem rostfreien Stahlgitter bestehen, die durch die Abstandshalter 32, 34 voneinander beabstandet sind. Der Gewindering 36 drückt die Schirme 28, 30 gegen den J5 Abstandshalter 32 und das Gehäuse 6.

Die Düse 38 im Tintenstrahl-Druckkopf 39 erhält unter Druck stehende Tinte von einer nicht gezeigten Quelle, um den Tintenstrom 40 durch den Windkanal 10 zu richten. Der Strom vom Tintentröpfchen mit einem Tropfendurchmesser in der Größenordnung von 0,05 mm und einer Geschwindigkeit in der Größenordnung von 17,8 m pro Sekunde wird wahlweise aufgeladen mittels der Ladeelektrode 8. Die ungeladenen Tintentröpfchen werden ausgeblendet und die anderen Tröpfchen erhalten in Abhängigkeit von ihrer gewünschten Ablenkgröße auf dem zu bedruckenden Papier 44 eine Ladung. Dies ist durch die Tropfenbahnen 46 und 48 schematisch dargestellt. Die Tinten-Auffangblende 42 ist so angeordnet, daß die nicht aufgeladenen Tröpfchen in sie gelangen.

Der Windkanal 10 hat einen vom Eingang zum Ausgang hin sich verändernden Querschnitt, um an die unterschiedlichen Tröpfchenbahnen angepaßt zu sein. Um eine konstante Geschwindigkeit der Luftströmung durch den Windkanal 10 aufrechtzuerhalten, ist die Querschnittsfläche des Kanals im wesentlichen konstant, bei einer Messung in vorgegebenen Ebjnen quer zur Längsachse des Kanals. Wie der Querschnitt des Kanals bestimmt wird, um die konstante Querschnitts-

t d, um die konstante Querschnitts

Fig.5 einen Windkanal in schaubildlicher Darstel- _bo fläche und die genannte Querschnittsveränderung zu g dessen Querschnitt Ei A erzielen, ist in F i g. 5 veranschaulicht. Ein Gas, wie Luft

oder Stickbtoff, wird von einer nicht gezeigten Luftpumpe aus mit einem Druck in der Größenordnung von υ,21 bis 0,35 kp/cm² mit einer Leistung von 8 l/min geliefert, wobei der Druck vor dem Passieren des Einlaßteiles 24 und des porösen Bolzens 25, der zur Reduzierung von Wirbelbildung des einströmenden Gases dient, auf 0,021 kp/cm² reguliert wird. Das Gas

lung, dessen Querschnitt vom Eingang zum Ausgang von einem kreisförmigen in einen rechteckigen Querschnitt sich verändert, und

Fig.6 ein Blockdiagramm des Gasversorgungssystems.

Ein Tintenstrahl-Windkanal ist eine Vorrichtung, die eine mit dem Tintenstrom gleichgerichtete Luftströmung zur Reduzierung des Einflusses der aerodynami-

fließt in der Richtung des Pfeiles 50 in die Klärkammer 26, die zur Senkung der Durchschnittsgeschwindigkeit des Gases dient, wodurch der hohe Pegel der Wirbel des Gases gemindert wird. Die porösen Schirme 28, 30 bewirken ein Ausgleichen des Gasdruckes um den Umfang der Klärkammer herum und ein Zusammenbrechen der im großen auftretenden Wirbelbildung in kleinere Wirbel, die einer zähen Dämpfung ausgesetzt sind, da der Gasfluß fortbesteht. Der Gasfluß wird dann im Windkanalmund 52 stark beschleunigt auf eine ι ο Geschwindigkeit in der Größenordnung von 17,8 m/sec, die gleich ist der Tropfengeschwindigkeit. Die strömungsartige Beschleunigung mindert außerdem die Wirbelbildung des Gasflusses. Der Windkanalmund 52 besteht aus Plexiglas und ist auf das Gehäuse 6 aufgeschraubt, um an der Eingangsöffnung 12 des Kanals eine gekrümmte Oberfläche vorzusehen.

Da die Düse 38 und die Ladeelektrode 8 nicht in den Windkanalmund 52 hineinragen, erzeugt dieser Aufbau, wenn überhaupt, so nur eine geringfügige Wirbelbildung, was gegenteilig ist zu den von ähnlichen bekannten Vorrichtungen erzeugten Wirbel.

Da, wie weiter oben erklärt, der Windkanal 10 eine konstante Querschnittsfläche hat, die vom Eingang zum Ausgang hin von kreisförmig in nicht kreisförmig sich verändert, wird die Durchschnittsgeschwindigkeit des Gases im Windkanal im wesentlichen konstant gehalten und ist im wesentlichen gleich der Geschwindigkeit der Tintentröpfchen, um die Einflüsse der aerodynamischen Verzögerung zu eleminieren oder wenigstens den aerodynamischen Widerstand zu verringern. Das Aufrechterhalten einer konstanten Gasgeschwindigkeit verringert die Möglichkeit des Hervorrufens einer Grenzschichttrennung im Windkanal und der sich daraus ergebenden Entstehung von Wirbel im Gasfluß. Die Ablenkplatten 13 und 20 stimmen in ihrer äußeren Form mit der Form des Windkanals überein und ihre Kanten liegen in der Ebene der Kanalwandung. Eine derartige Anordnung schließt aus oder vermindert zumindest die schädliche Aufladung, die an den Kanalwänden entstehen würde, wenn die Ablenkplatten von dem Isoliermaterial des Kanals bedeckt sein wurden.

Der Bereich, in dem der Gasstrom auf das zu bedruckende Papier 44 aufschlägt, ist von vernachlässigbarer, aerodynamischer Wichtigkeit, und dies trifft auch auf die Einflüsse der Tintenauffangblende zu, da die Trägheitskraft der Tröpfchen an diesen Punkten zu groß ist, um auf die große Krümmung des Gasstromes nahe der Aufschlagfläche wesentlich zu reagieren.

Die Ladeelektrode 8 ist in dem ein Innengewinde aufweisenden Teil des Gehäuses 4 nicht eingezeichne (F i g. 2), um den inneren Aufbau der Saugvorrichtun deutlicher zu veranschaulichen.

Bei einem Drucker, der pro Druckpunkt eine Düs aufweist, wird der Windkanal ebenfalls benötigt, ur sicherzustellen, daß ein gegebenes Tröpfchen auf der zu bedruckenden Papier zu einem genauen Zeitpunk auftrifft, unabhängig von dem gewünschten Tropfenmu ster. In bekannter Weise werden bei einem derartigei Drucker ungeladene Tröpfchen für den Druck benötigt wohingegen die geladenen Tröpfchen einheitlich aufge laden sind und ausgeblendet werden. Das bedeutet, dal ein derartiger Drucker binär arbeitet. Dies ist voi größter Wichtigkeit bei Druckern, die nichtcodierti Information verwenden, die für eine Kompensatioi aerodynamischer Einflüsse nicht geeignet sind. Solch nichtcodierte Informationssysteme stellen beispielswei se Faksimilesysteme dar.

F i g. 3 veranschaulicht, wie ein typischer Windkana in einem Isoliermaterial, beispielsweise einem Plexiglas block 64, gebildet wird. Der letztere enthält den Kana 66, der beispielsweise durch rechnergesteuertes Fräsei hergestellt ist, in Übereinstimmung mit den weiter untei angeführten Gleichungen. Wie weiter oben erklär) besitzt der Kanal 66 die Eingangsöffnung 68 voi kreisförmigem Querschnitt mit einer Veränderung de Querschnittes entlang der Längsachse in Richtung au die Ausgangsöffnung 70 mit nicht kreisförmigen Querschnitt und vorzugsweise elliptischem oder recht eckförmigem Querschnitt. Der Plexiglasblock 64 ist ii einen ersten Teil 72 und einen zweiten Teil 74 unterteilt Der Teil 72 beinhaltet den Teil des Kanals 66, dei kreisförmigen Querschnitt aufweist, und der Teil 7' enthält den Bereich, in dem der Kanalquerschnitt von kreisförmigen in nicht kreisförmigen sich verändert.

Der erste Teil des Kanals ist durch die folgender Gleichungen darstellbar:

y = r_c cos Φ

ζ = — r_t. sin Φ

wobei:

0 < Φ < π

-Li < χ < 0;

r_c = Radius;

Φ = Winkel quer zum Umfang des Kreises; und L\ = Länge des ersten Teiles des Kanals

Der zweite Teil des Kanals ist durch folgende Gleichungen darstellbar:

y = [(a_c cos Φ — d) — r_c cos Φ]( -7—J + r_c cos Φ

z = [ — b_c sin Φ + r_c sin Φ] (-=—I — r_csin*

wobei:

60

0 < Φ < π

0 < χ < L₂;

r_c = Radius

a_c = große Halbachse der Ellipse am Ausgang

des Kanals,
bc = kleine Halbachse der Ellipse am Ende des Kanals.

Wenn b_c = 0 ist, wird der Kanalausgang rechteckför mig. Wenn b_c > 0 ist, dann wird der Kanalausganf elliptisch.

L₂ = Länge des zweiten Teiles des Kanals; und d = Entfernung vom Mittelpunkt der Ellipse am Ausgang zur Längsachse des Kanals.

In Fig.4 ist die Formveränderung des Kanals 66 in aufeinanderfolgenden Querschnitten veranschaulicht,

beginnend am Eingang in Richtung zum Ausgang. Die Kurve 76 veranschaulicht den kreisförmigen Querschnitt des Kanals im Teil 72 und die Querschnittsveränderung im Teil 74 in einem mehr und mehr elliptischen Querschnitt wird durch die Kurven 78, 80 und 82 dargestellt. Die letztere zeigt einen Querschnitt des Kanals am Ende des Teiles 74.

In F i g. 5 ist ein zu F i g. 3 ähnlicher Kanal dargestellt mit dem Unterschied, daß der Eingang 86 des Kanals 84 kreisförmig ist und in Richtung auf seinen Ausgang 88 zu in einen rechteckförmigen Querschnitt sich verändert. Dies tritt ein, wenn in Gleichung (4) b_c = 0 ist.

Dem oben beschriebenen Windkanal wird ein geregelter Gasfluß durch das in Fig.6 dargestellte System geliefert. Die Gaspumpe 90 liefert ein Gas bei

einem Druck von ungefähr 1,9 kg pro 6,45 cm² und einen Durchfluß von 10 l/min einem Filter 92, der Verunreinigungen aus dem Gas entfernt. Der Druckregler 94 regelt den Gasdruck auf ungefähr 0,021 Atmosphären ein, mit dem das Gas hierauf dem Windkanal 96 geliefert wird. Wie weiter oben beschrieben, spricht der Windkanal auf den zugeführten Gasfluß an, um einen gleich verlaufenden Gasfluß in dem Windkanal zu erzeugen bei einer Geschwindigkeit in der Größenordnung von 17,8 m/sec, die ziemlich genau der Tröpfchengeschwindigkeit im Windkanal entspricht. Demzufolge wird der aerodynamische Widerstand auf die einzelnen Tröpfchen ausgeschaltet oder zumindest stark herabgesetzt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Tintenstrahldrucker, bei dem von jeder Düse eine kontinuierliche Folge von gleichgroßen Tintentröpfchen ausgestoßen wird, die in Abhängigkeit von der ihnen erteilten elektrostatischen Ladung auf das zu bedruckende Papier auftreffen oder in eine vor dem zu bedruckenden Papier angeordnete Tintenauf fangblende abgeleitet werden, mit einem zwi- ι ο sehen der Ladeelektrode und dem zu bedruckenden Papier angeordneten Windkanal, durch den gegen das zu bedruckende Papier ein laminarer Luftstrom gerichtet ist, wobei der Windkanal eine sich stufenlos verändernde Querschnittsform aufweist, die an seinem dem Papier zugewandten Ende der maximales Ablenkung der Tintentröpfchen entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß der Windkanal (10) über seine gesamte Länge eine konstante Querschnittsfläche aufweist, daß die Geschwindigkeit des Gases im Windkanal (10) im wesentlichen die gleiche ist wie die der Tintentröpfchen, und daß die Ablenkelektroden (18, 20) in den Windkanal (10) einbezogen sind und in ihrer äußeren Form mit der Form des Windkanals (10) übereinstimmen.

2. Tintenstrahldrucker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eingangsseitig der Querschnitt des Windkanals (10) kreisförmig und ausgangsseitig elliptisch ist

3. Tintenstrahldrucker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Windkanals (10) eingangsseitig kreisförmig und ausgangsseitig rechteckförmig ist.

4. Tintenstrahldrucker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Windkanal (10) im Inneren eines länglichen Gehäuses (6) verläuft, das an seinem einen Ende mit dem Druckkopf (39) und der rotationssymmetrischen Ladeelektrode (8) luftdicht verbunden ist, von der beabstandet der rotationssymmetrisch ausgebildete Windkanalmund (52) angeordnet ist, der durch Hineinragen in eine Kammer eine Ringkammer schafft, die an der der Ladeelektrode (8) gegenüberliegenden Seite von einer luftdurchlässigen Druckausgleichs wand (30, 28) begrenzt wird, daß jenseits dieser Wand (30,28) eine ebenfalls ringförmige Klärkammer (26) sich befindet, in die eine Druckluftleitung (24) mündet, und daß in der Bewegungsrichtung des Tintenstromes (40) gesehen, sich dem Windkanalmund (52) zwei diametral gegenüberliegende, in das Gehäuse (6) eingesetzte und bis an den Windkanal (10) reichende Ablenkplatten (18,20) anschließen.

5. Tintenstrahldrucker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckausgleichswand aus v~> mindestens einem Gitter (30 bzw. 28) aus rostfreiem Stahl besteht.

6. Tintenstrahldrucker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß oer Windkanalmund (52) aus einem Plexiglasring von im wesentlichen kreisförmi- ω gem Querschnitt besteht.

7. Tintenstrahldrucker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Mündungsbereich der Druckluftleitung (24) in das Gehäuse (6) die Leitung (24) von einem porösen Bolzen (25) ausgefüllt ist. b5 Die Erfindung betrifft eine im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebene Art eines Tintenstrahldrukkers.

Bei Tintenstrahldruckern ist eine der Hauptursachen für üie Fehlaufzeichnung von Tintentröpfchen auf dem zu bedruckenden Papier die Wechselwirkung der Tröpfchen während ihres Fluges. Für diese Wechselwirkung sind die Ladung der Tröpfchen und der aerodynamische Widerstand auf die jeweiligen Tröpfchen verantwortlich.

Die Ladungswechselwirkung und die aerodynamische Wechselwirkung werden im allgemeinen niemals unabhängig voneinander beobachtet und sind in den meisten Beispielen miteinander eng verwandt Die Ladungswechselwirkung würde ohne die Anwesenheit des aerodynamischen Widerstandes von geringerer Auswirkung sein, oder anders ausgedrückt, der aerodynamische Widerstand verstärkt die Ladungswechselwirkungen. Bei Nichtvorhandensein des aerodynamischen Widerstandes sind die Störungen elektrostatischer Natur, so daß man in Betracht ziehen könnte, ob es nicht vorteilhaft wäre, mit einer niedrigen Tropfenladung und einer größeren Flugbahnlänge zu drucken, um für beide Fälle eine identische Ablenkung zu erhalten.

Die Abstoßung zweier gleich aufgeladener Tröpfchen ist, abgesehen beim Beginn der Wechselwirkung, proportional zur Tropfenladung mal der Fluglänge. Für eine gegebene Ablenkspannung ist ein Viertel der Orginailadung notwendig, wenn die Länge, über welcher das elektrostatische Ablenkfeld besteht, verdoppelt wird. Somit ist die Ladungsabstoßung halbiert, da sie proportional zum Produkt aus Ladung und Ablenklänge ist

In der US-PS 35 62 757 ist ein Tintenstrahldrucker beschrieben, bei dem Ladungswechselwirkungen zwischen benachbarten Tröpfchen und der aerodynamische Widerstand kompensiert werden. Die Kompensation sieht die Verwendung von sog. Schutztröpfchen vor, d. h, es wird nur jedes zweite Tröpfchen geladen, so daß die zwischenliegenden Tröpfchen in die Auffangblende geleitet werden und dadurch eine Zunahme der Entfernung zwischen den Tröpfchen, die für das Drucken vorgesehen sind, eintritt, wodurch sowohl die Ladungswechselwirkung zwischen den druckenden Tröpfchen als auch der Sog zwischen diesem Tröpfchen herabgesetzt wird. Hierbei ist es nachteilig, daß infolge des Ausblendens einer großen Anzahl von Tröpfchen der Wirkungsgrad dieses Druckers abnimmt.

Die Verwendung eines Gasstromes, wie Luft, zur Kompensation des aerodynamischen Widerstandes in einem analog ablenkenden Tintenstrahldrucker ist in der US-PS 35 96 275 beschrieben. Hierbei wird ein mit dem Tintentröpfchenstrom gleichlaufender Luftstrom eingeführt, um den Sog eines gegebenen Tröpfchens relativ zum folgenden Tröpfchen zu vermindern, um den auf jedes Tröpfchen einwirkenden Widerstand zu beseitigen. Jedoch wird dieser Gasstrom turbulent, bevor er der Tröpfchengeschwindigkeit entspricht Bei diesem Tintenstrahldrucker ist die Düse in einem stromlinienförmigen Körper befestigt, der in der Nähe des Zentrums eines Windkanals angeordnet ist, wobei der Luftstrom beinahe auf seine Maximalgeschwindigkeit beschleunigt ist. Da sogar ein guter Stromlinienkörper einen kleinen, aber unstabilen Sog innehat, der entlang der Tintentröpfchen streicht, wird die Tropfenflugbahn durch den Sog beeinflußt und demzufolge wird eine weitest mögliche Reduzierung der aerodynamischen Strömung nicht erreicht.