DE2830694C2

DE2830694C2 - Tintentröpfchen-Druckkopf

Info

Publication number: DE2830694C2
Application number: DE2830694A
Authority: DE
Inventors: Charles Li-Tran Xenia Ohio Cha; Shou L. St. Davids Pa. Hou
Original assignee: Mead Corp 45463 Dayton Ohio; Mead Corp
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 1977-07-18
Filing date: 1978-07-12
Publication date: 1982-12-09
Also published as: SE438283B; JPS5421724A; BE868332A; GB1592819A; IT1108651B; SE7807890L; IL54455A; CA1120089A; FR2397883A1; CH632451A5; NL7803759A; SU969179A3; IT7868191A0; BR7804585A; US4138687A; DE2830694A1; FR2397883B1; JPS5842830B2; NL181859C; NL181859B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Tintentröpfchen-Druckkopf gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein solcher Druckkopf ist aus der DE-AS 24 55 854 bekannt. Bei diesem Druckkopf ist die Wandleranordnung innerhalb der Tintenkammer angebracht und wird an beiden Seiten von der in dieser Tintenkammer befindlichen Flüssigkeit umströmt. Diese Wandleran-Ordnung führt in der Flüssigkeit Biegeschwingungen aus und bewirkt auf diese Weise Druckschwankungen beiderseits ihrer Ebene. Das Ausstoßen von Flüssigkeitsstrahlen erfolgt jedoch nur auf einer Seite der Wandleranordnung. Die auf der anderen Seite der Wandleranordnung erzeugten Druckschwankungen ergeben Reflexionen an den Wänden der Tintenkammer, die sich den von der Wandleranordnung hervorgerufenen Druckschwankungen überlagern und zu einer Behinderung des freien Schwingens der Wandleranordnung führen. Diese Störungen sind die Ursache für ein ungleichförmiges Aufspalten der Flüssigkeitsstrahlen in einzt ■ ^rröpfchen.

Be₁.; η Tintentröpfchen-Druckkopf nach der GB-PS 10 42 308 wirkt der zum Anregen der in der Tintenkammer befindlichen Flüssigkeit verwendete Wandler zwar nicht direkt auf die Flüssigkeit ein, sondern in einem Ausführungsbeispiel über eine obere Wand und in einem anderen Ausführungsbeispiel über eine hintere Wand der Tintenkammer, doch ergeben sich dabei über die gesamte Fläche unterschiedliche Schwingungsamplituden, da die Wände seitlich festgelegt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Tintentröpfchen-Druckkopf der eingangs geschilderten Art so auszugestalten, daß mit einfachen Mitteln eine gleichmäßige und synchrone Anregung der Flüssigkeit in der Tintenkammer und somit auch ein gleichmäßiges Aufspalten der aus den Löchern der Lochplatte austretenden Flüssigkeitsstrahlen in einzelne Tröpfchen erhalten werden.

Diese Aufgabe wird mit den im Kennzeichen des neuen Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Beim erfindungsgemäßen Druckkopf wirkt der

die obere Begrenzung der Tintenkammer bildende Kolben nur von einer Seite her auf die Flüssigkeit in der Tintenkammer ein, und er wird von den Wandlervorrichtungen so angeregt, daß er Translationsbewegungen durchführt und gleichmäßige Druckschwankungen in der Flüssigkeit hervorruft Da der Kolben nicht biegsam ist und aufgrund der Verwendung des elastischen Dichtrings Bewegungen in Richtung ^jr oder von der Lochplatte durchführen kann, bewegt sich bei der Anregung durch die Wandlervorrichtungen die gesamte, mit der Flüssigkeit in der Tintenkammer In Koniakt stehende längliche Kolbenunterfläche völlig parallel in Richtung zur Flüssigkeit und davon weg, was zur Erzeugung ebener Wellen in der Flüssigkeit führt, die in Richtung zu den Löchern in der Lochplatte laufen. Dies ergibt das erwünschte gleichmäßige und synchrone Ausstoßen der Flüssigkeit aus den einzelnen Löchern. Da der Kolben schwingungsmäßig vollständig von der Tintenkammer entkoppelt ist, werden keine Störschwingungen auf die Flüssigkeit auf dem Umweg über die Tintenkammer übertragen, was ebenfalls zur angestrebten Gleichmäßigkeit der Anregung beiträgt Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung der bevorzugten Ausführungsform des nach der Erfindung ausgebildeten Tintentröpfchen-Druckkopfs für einen Tintenstrahldrucker,

F i g. 2 eine perspektivische Darstellung einer Wandlervorrichtung und eines Abschnitts des in der Ausführungsform von F i g. 1 verwendeten Kolbens,

F i g. 3 einen Schnitt des zusammengefügten Druckkopfs in der Ausführungsform von F i g. 1 und

Fi g. 4 eine Seitenansicht des Kolbens und der daran befestigten Wandlervorrichtungen.

Die Grundbestandteile des in Fig. 1 dargestellten Druckkopfs sind mehrere Wandlervorrichtungen 10, ein Kolben 12, ein elastischer O-Ring 14. eine Wandlerhalterung 16, ein Verteileranschlußblock 18 mit einem dazwischen befindlichen abdichtenden O-Ring 20 und eine Lochplatte 22. Die Erfindung betrifft nur den Druckkopf mit den genannten Hauptbestandteilen, so daß weitere Einzelheiten der übrigen Druckvorrichtung hier nicht erläutert werden.

Jede Wandlervorrichtung 10 besteht aus einer oberen Masseplatte 24, zwei piezoelektrischen Wandlern 26 und 28, die vorzugsweise im Dickenschwingungsbetrieb arbeitende keramische Wandler sind, einer Befestigungsplatte 30 für die Wandlervorrichtungen, die auch als Elektrode für die Wandler dient, und Befestigungsteilen 32, die zur Befestigung der Befestigungsplatte 30 dienen und auch als elektrische Isolatoren wirken. Die Wandlervorrichtung 10 wird dadurch zusammengehalten, daß sie am Kolben 12 mit Hilfe eines Boizens 34 befestigt wird, der sich durch die Wandlervorrichtung in den Kolben erstreckt. Die Wandler 26 und 28 und die obere Masseplatte 24 haben im wesentlichen den gleichen Grundriß, und sie sind parallel zueinander vertikal aufeinander ausgerichtet, wie F i g. 2 zeigt, wobei die Breite W im wesentlichen gleich der Breite des Kolbens 12 ist.

Die Breite VKund die in Längsrichtung des Kolbens 12 gemessene Länge L sind beide vorzugsweise wesentlich kleiner als eine halbe Biegeschwingungswellenlänge in der Wandlervorrichtung bei der maximalen Betriebsfrequenz, wie oben bereits erwähnt wurde, damit die von stehenden Wellen mit merklicher Amplitude hervorgerufenen Störungen auf ein Minimum verringert werden, die die Hauptwellenausbreitung durch den Kolben beeinflussen würden. Der Ausdruck »Biegeschwingungswellen« dient hier der Benennung der Wellen, die versuchen, das Bauteil, auf das Bezug genommen wird, in einer Richtung zu biegen, die quer zur Längsrichtung in der Längenausdehnung des Wandlerfeldes verläuft

Es s^i bemerkt, daß eine halbe Wellenlänge zwar eine ίο wesentliche Richtlinie für die Dimensionierung der Wandlervorrichtung und auch anderer, noch anzugebender Abstände sein soll, doch ist dies keine absolute Grenze für diese Abmessungen, sondern lediglich eine Richtlinie zur Erzielung einer verringerten Störung auf Grund reflektierter Wellen. Diese Abmessungen haben einen beträchtlichen Einfluß auf den Wirkungsgrad der Anordnung und auf die Qualität der Erzeugung der Strömungsfäden und der Tröpfchen, und vom praktischen Standpunkt aus ist diese Richtlinie zufriedenstellend.

Die Wandler 26 und 28 sind relativ zueinander so angebracht, daß ihre Polaritäten entgegengesetzt sind. Das heißt in anderen Worten, daß beispielsweise die positiven Anschlußflächen an den entgegengesetzten Seiten der Befestigungsplatte 30 angebracht sind, während die negativen Anschlußflächen mit der oberen Masseplatte 24 bzw. mit der unteren Fläche des Kolbens 12 in Verbindung stehen. Diese Anordnung ergibt eine zusätzliche Sicherheit indem verhindert wird, daß jemand, der die Wandler im Betrieb berührt, einen elektrischen Schlag erhält weil die Wandler an Masse gelegt werden können.

Die elastischen Befestigungsteile 32 können aus irgendeinem gewünschten Material bestehen; sie müssen nur eine minimale Dicke haben, solange eine Federwirkung erzielt wird, die ausreicht, eine wesentliche Schwingungsübertragung von der Befestigungsplatte 30 zur Wandlerhalterung 16 zu verhindern und als guter Isolator zu wirken. Dies dient dazu. Wellen daran zu hindern, durch den Verteileranschluß zu laufen und die Tropfenerzeugung in den Löchern zu beeinflussen. Die mehreren oberen Masseplatten 24 sollten vorzugsweise aus einem Material mit allgemein höherer akustischer Impedanz als der Kolben hergestellt sein, damit die Kraftübertragung auf die Flüssigkeit verbessert wird.

Der Kolben 12 hat einen allgemein quaderförmigen oberen Abschnitt mit halbzylindrischen Enden, jedoch ist diese genaue Form nicht wesentlich; die obere Fläche könnte beispielsweise auch vollständig rechteckig sein, falls dies erwünscht ist. Der untere Abschnitt des Kolbens 12 hat im Querschnitt die Form eines gleichschenkeligen Trapezes mit halbzylindrischen Endabschnitten, die so nach innen gekrümmt sind, daß eine Kegelstumpfform entsteht, wie in F i g. 1 am besten zu erkennen ist. Dieser Abschnitt dient als Energiekonzentrator, der die Anregungswelle auf die Löcher in der Lochplatte 22 fokussiert. Der Kolben 12 besteht vorzugsweise aus einem Material mit relativ niedriger akustischer Impedanz, die an die Impedanz der Flüssigkeit relativ eng angepaßt ist, so daß an der Grenzfläche zwischen dem Kolben und der Flüssigkeit eine minimale Reflexion auftritt. Die unteren Abschnitte des Kolben 12 können natürlich auch eine andere Form haben; beispielsweise kann der gesamte Querschnitt des Kolbens rechteckig sein. Der Kolben 12 wird von einem elastisch federnden O-Ring 14 umgeben, der eine Vertikalbewegung des Kolbens 12 zuläßt, die auf die in

der noch zu beschreibenden Weise erfolgende Anregung der Wandler 26 und 28 zurückzuführen ist. Der O-Ring 14 ergibt eine Abdichtung zwischen den äußeren Umfangsseitenabschnitten des Kolbens 12 und den angrenzenden Seitenabschnitten der Wände der > Wandlerhalterung 16, so daß ein Ausströmen der Flüssigkeit aus dem Verteileranschluß verhindert wird. Der O-Ring 14 hat auch die Wirkung, die Übertragung von Störwellen vom Kolben zu der Wandlerhalterung 16 in der gleichen Weise zu verhindern, wie die in federnden Befestigungsteile 32 die Übertragung von Störwellen von der Befestigungsplatte 30 verhindern.

Die Wandlerhalterung 16 und der Verteileranschlußblock 18 sind ebenfalls durch geeignete Mittel, beispielsweise mit Hilfe von Bolzen oder durch Kleben i^r> aneinander befestigt; der abdichtende O-Ring 20 verhindert ein Ausströmen der Druckflüssigkeit aus der Tintenkammer zwischen den Oberflächen der Wandlerhalterung und des Verteileranschlußblocks.

Im Falle einer Anregung außerhalb der Resonanzfre- 2» quenz ist der Abstand von der unteren Fläche des Kolbens zur oberen Fläche der Lochplatte vom Standpunkt der Anregung aus nicht kritisch; er kann so klein sein, wie die dynamischen Eigenschaften der Flüssigkeit zulassen. Bei einer schmalbandigen Anregung sollte der Abstand ein Vielfaches einer geradzahligen Viertelwellenlänge der Flüssigkeitsdruckwellen bei der Betriebsfrequenz sein. Dies gewährleistet, daß die Lochplatte in einer Knotenebene liegt, in der die Schwingungsamplitude im wesentlichen verschwindet.

Die Lochplatte 22 hat einen relativ steifen Aufbau, so daß anders als bei Lochplatten mit Wandlerwellenanregung, bei der die Lochplatte selbst vibriert, die hier verwendete Lochplatte steif bleiben soll. Die Lochplatte 22 ist durch Kleben, Löten oder Verschrauben mit einem (nicht dargestellten) Stützrahmen an der unteren Fläche des Verteileranschlußblocks 18 befestigt, so daß sie im wesentlichen steif gehalten wird, wobei die Löcher 36 längs der Lochplatte symmetrisch unterhalb des unteren Abschnitts des Kolbens 12 in einer Linie liegen. Damit die Lochplatte 22 im Bereich des Vorratsbehälters starr bleibt, sind die Innenseitenwände 38 und 40 des Verteileranschlußblocks 18 an ihrer Überschneidungsstelle mit der oberen Fläche der Lochplatte 22 vorzugsweise um eine Strecke voneinander getrennt, die kleiner als eine halbe Biegeschwingungswellenlänge in der Lochplatte bei der maximalen Betriebsfrequenz ist, was wiederum zur Verringerung der Ausbreitung störender Wellen in der Lochplatte beiträgt. so

Nach F i g. 4 soll der Abstand D zwischen benachbarten Wandlervorrichtungen ebenfalls kleiner als eine haibe Biegeschwingungsweiieniänge des Koibens i2 bei der maximalen Betriebsfrequenz sein, damit die Ausbreitung von Störwellen reduziert wird.

Im Kolben 12 sind mehrere Querschlitze 42 angebracht, die sich quer zum Kolben 12 in vertikalen Ebenen durch den Kolben erstrecken. Benachbarte Schlitze sind dabei von den gegenüberliegenden oberen oder unteren Flächen aus in den Kolben 12 um mehr als die Hälfte der Höhe des Kolbens eingeschnitten, so daß keine horizontalen Ebenen durch den Kolben vorhanden sind, die nicht von wenigstens einigen der Schütze geschnitten werden.

Diese Schlitze tragen beträchtlich dazu bei, die *>*> seitliche Wellenausbreitung im Kolben auf ein Minimum herabzusetzen, die sonst die Gleichmäßigkeit der Energieverteilung längs des Kolbens und somit längs des Strahlfeldes stören würde. Die Schlitze 42 sollten so dünn wie möglich sein, und sie sollten sich nicht soweit über die Mitte der Höhe des Kolbens hinauserstrecken, daß die Steifheit des Kolbens beeinflußt wird, da sich dieser Kolben im wesentlichen als starrer Körper verhalten soll.

Alle Wandlervorrichtungen 10 des Wandlerfeldes sind mit Hilfe von Drähten 44 und 46 an eine gemeinsame Signalerzeugungsvorrichtung 47 angeschlossen, so daß alle Wandler mit der gleichen Frequenz angeregt werden.

Im Betrieb werden alle Wandler mit der erwünschten Frequenz angeregt, damit eine gleichmäßige Folge von Tröpfchen aus den mehreren Löchern 36 erzeugt wird. Jede Wandlervorrichtung wird durch die elektrischen Impulse angeregt, die den beiden piezoelektrischen Wandlerkristaileii 26 und 28 zugeführt werden. Die Wandlerkristalle 26 und 28 üben auf die Befestigungsplatte 30 gleiche Kräfte aus, die zur Folge haben, daß sich die Masseplatte 24 und der Kolben 12 in entgegengesetzten Richtungen verschieben. Die Befestigungsplatte 30 ist im wesentlichen an einem Knotenpunkt zwischen den zwei Wandlern angebracht, an dem eine minimale Auslenkung der Platte erfolgt. Dies ergibt eine weitere Reduzierung der Übertragung einer Störwellenbewegung von der Befestigungsplatte auf den Wandlerhalter 16. Wenn der Kolben 12 auf Grund der kombinierten Wirkung der Wandler 26 und 28 aufwärts und abwärts bewegt wird, wirkt er so auf die Druckflüssigkeit ein, daß parallel zur Lochplatte ebene Wellen erzeugt werden, die sich durch die Flüssigkeit gegen die Lochplatte ausbreiten. Eine entsprechende Störung wird in die aus den Löchern 36 austretenden Strahlen eingeführt, und das Anwachsen dieser Störung bewirkt entsprechend dem Rayleigh-Kriterium ein Aufbrechen der Strahlen in gleichmäßige Tröpfchen.

Es ist wichtig, alle Wandler längs des Kolbens 12 gleichzeitig und mit der gleichen Amplitude anzuregen. Damit dies erzielt wird, erfolgt die Anregung des Wandlerfeldes vorzugsweise außerhalb der Resonanz, auch wenn eine Resonanzanregung wirksamer und besser erzielbar wäre. Der Grund dafür ist darin zu sehen, daß in der Praxis die Resonanzfrequenzen der Wandler wegen Variationen der verschiedenen physikalischen Parameter eines zusammengesetzten Wandlers geringfügig unterschiedlich sind. Sowohl die Wandleramplitude als auch die Wandlerphase hängen jedoch von der Frequenz ab. Wenn Wandler mit ähnlicher, jedoch nicht exakter gleicher Resonanzfrequenz gleichzeitig mit einer gegebenen Frequenz, beispielsweise der Resonanzfrequenz eines der Wandler, angesteuert werden, dann liefern die anderen Wandler an den Kolben 12 andere Amplituden zu verschiedenen Zeiten als der bei der Resonanz angesteuerte Wandler.

Die Größe der Unterschiede hängt von der Breite des Resonanzbandes ab; je schmaler das Band ist, desto größer sind die Differenzen in der Größe. Die Amplitude und die Phase werden jedoch relativ unabhängig von der Frequenz, wenn ein Wandler außerhalb der Resonanz betrieben wird; daher kann eine gleichmäßigere Amplituden- und Phasenverteilung an der oberen Fläche des Kolbens 12 erhalten werden, indem die Wandler über oder unter ihren Resonanzfrequenzen angesteuert werden. Bei diesen Frequenzen ergibt sich eine größere Gleichmäßigkeit in der abgegebenen Amplitude und der abgegebenen Phase; die Schwingungsamplituden sind zwar auf Grund des Ansteuerns der Wandler außerhalb ihrer Resonanzfre-

quenz beträchtlich reduziert, doch kann dies durch Anlegen einer höheren Spannung kompensiert werden. Der Vorteil, der durch eine gleichmäßige synchrohe Anregung der Kraft erhalten wird, -ist es wert, einen solchen erhöhten Verbrauch zuzulassen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Tintentröpfchen-Druckkopf mit einer Vorrichtung zur Erzeugung mehrerer Flüssigkeitströpfenströme mit einer länglichen Tintenkammer zur Aufnahme einer unter Druck stehenden Flüssigkeit, einer den Boden der Tintenkammer bildenden Lochplatte, in der in Längsrichtung mehrere Löcher zum Ausstoßen der Flüssigkeit in einer Folge kontinuierlicher Ströme aus der Tintenkammer gebiidet sind, einer Wandleranordnung zum Anregen der in der Tintenkammer enthaltenen Flüssigkeit und einer Ansteuereinrichtung zum Aktivieren der Wandleranordnung, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandleranordnung an der Tintenkammer (16, 18) elastisch befestigt und nicht mit der Tinte in Beriihrung ist, daß an der Wandleranordnung ein steifer, in die Tinte ragender Kolben (12) angeordnet ist, der im wesentlichen die der Lochplatte (22) gegenüberliegende Wand der ^Tintenkammer (16, 18) bildet und diese mit Hilfe Äines elastischen Dichtringes (14) abschließt, der eine Bewegung des Kolbens (12) in Richtung zur oder von der Lochplatte (22) zuläßt, und daß die Wandleranordnung aus mehreren voneinander getrennten, elektroakustischen Wandlervorrichtungen (10) besteht, die gleichsinnig, zeitlich synchron und mit gleicher Amplitude auf den Kolben (12) einwirken.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Wandlervorrichtung (10) wenigstens einen piezoelektrischen Wandler (26, 28) enthält, der in Längsrichtung des Kolbens (12) eine Längenausdehnung hat, die kleiner als die Hälfte der Biegeschwingungswellenlänge des Wandlers (10) bei seiner maximalen Betriebsfrequenz ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder piezoelektrische Wandler (26, 28) folgende Bauteile enthält: obere und untere, sich gleich weit erstreckende piezoelektrische Glieder (26, 28), von denen das obere (26) über dem unteren (28) angebracht ist, eine zwischen den beiden piezoelektrischen Gliedern (26,28) angebrachte und an gegenüberliegenden Seiten dieser Glieder sowie an der Tintenkammer (16, 18) befestigte Befestigungsplatte (30), ein von dem oberen piezoelektrischen Glied (26) getragenes Masseteil (24) und eine Befestigungsvorrichtung (34), die das Masseteil (24), die beiden piezoelektrischen Glieder (26, 28), die Befestigungsplatte (30) und den Kolben (12) zusammenhält, so daß das untere piezoelektrische Glied (28) fest an der oberen Fläche des Kolbens anliegt.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kolben (12) mehrere in Querrichtung verlaufende vertikale Schlitze (42) angebracht sind, daß benachbarte Schlitze (42) in dem Kolben abwechselnd von der oberen Fläche und von der unteren Fläche aus wenigstens bis zur Hälfte der Dicke des Kolbens (12) reichen, so daß der Kolben (12) keine Horizontalebene aufweist, die nicht von wenigstens einigen Schlitzen (42) geschnitten sind, wobei benachbarte Schlitze (42) in einem Abstand voneinander liegen, der kleiner als eine halbe Wellenlänge der Biegeschwingung des Kolbens (12) bei seiner höchsten Betriebsfrequenz ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (12) einen oberen Abschnitt mit allgemein rechteckigem Querschnitt und einen unteren Abschnitt mit dem Querschnitt eines gleichschenkeligen Trapezes aufweist, wobei Seitenabschnitte in Richtung zu der Lochplatte (22) schräg nach innen verlaufen.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der oberen Fläche des Kolbens (12) in Kontakt stehenden Wandlervorrichtungen (10) in Längsrichtung des Kolbens (12) jeweils in einem Abstand voneinander liegen, der kleiner als eine halbe Biegeschwingungswellenlänge bei der maximalen Betriebsfrequenz des Kolbens (12) ist

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadarch gekennzeichnet, daß der Abstand von der unteren Fläche des Kolbens (12) und der oberen Fläche der Lochplatte (22) im wesentlichen ein Vielfaches eines ungeradzahligen Viertels der Flüssigkeitsschwingungswellenlänge bei der Betriebsfrequenz der Vorrichtung ist