DE2842755A1

DE2842755A1 - Tintenstrahldruckkopf

Info

Publication number: DE2842755A1
Application number: DE19782842755
Authority: DE
Inventors: Francis Peter Giordano; Lawrence Kuhn; Ramon Lane; Chen-Hsiung Lee; Jose Calif San; Gene Overholts Zierdt
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1977-10-03
Filing date: 1978-09-30
Publication date: 1979-04-12
Also published as: BE870089A; FR2404530B1; CA1098161A; GB1598602A; FR2404530A1; US4188635A; IT1159147B; IT7828243A0; JPS5455436A; JPS5841745B2

Description

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

ki/ib

Tintenstrahldruckkopf

Die Erfindung betrifft eine im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebene Art eines Tintenstrahldruckkopfes.

In der US- Patentschrift 3 373 437 ist ein Tintenstrahldrucker I beschrieben, bjei dem eine unter Druck stehende elektrisch leitfähige Flüssigkeit aus einer Vielzahl von Düsen ausgestoßen und in gleichförmige Tröpfchen aufgelöst wird. Jedes dieser Tröpfchen eines jeden Flüssigkeitsfadens ist durch eine Ladeelektrode wahlweise aufladbar. Dieser Tintenstrahldrucker arbeitet binär, d. h. ein Tropfen enthält entweder eine vorherbestimmte Ladung oder verbleibt in seinem ungeladenen Zustand. Die Tröpfchen passieren dann ein elektrostatisches Ablenkfeld, so daß die aufgeladenen Tröpfchen in eine Tintenauffangblende abgelenkt werden, während die ungeladenen Tröpfchen nicht abgelenkt werden und auf das zu bedruckende Papier aufschlagen.

Die Ladung eines Tröpfchens wird durch das von der Ladeelektrode zum Zeitpunkt des Abreißens vom Flüssigkeitsfaden erzeugte elektrische Feld bestimmt. Bei der Vorrichtung nach der US- Patentschrift 3 739 393 wird eine Mehrzahl von Strömen durch Hindurchdrücken von Tinte durch einen in einer Düsenplatte angeordneten Satz von Düsen erzeugt, worauf die Tintenströme für ein Erzeugen von Tröpfchen angeregt werden. Hierfür wird die Düsenplatte an einem Ende in Schwingungen versetzt, die sich durch eine Wanderwelle entlang der Platte fortpflanzen, um aufeinanderfolgende Düsen anzuregen. Dies verursacht eine Differenz der Abreißentfernung des Stromes und auch eine Phasendifferenz, d. h. eine Zeitdifferenz SA 977 009

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zwischen aufeinanderfolgenden Abreißvorgängen infolge der Erregung durch die Wanderwelle. Ein einheitlicheres Tropfenabreißen wird durch die Vorrichtung nach der US- Patentschrift 3 832 508 erzielt, durch Zuspitzen der Düsenplatte entlang ihrer Länge, um die Dämpfung der entlang der Düsenplatte wandernden Welle zu kompensieren. Jedoch die Phasendifferenz wird hierdurch nicht korrigiert.

Es ist somit die Aufgabe der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung, einen Tintenstrahldruckkopf anzugeben, der bei einer Mehrzahl von Tintenströmen einen von den Düsen gleich entfernten Tropfenabreißpunkt erzeugt, wobei das Abreißen bei sämtlichen Strömen gleichzeitig erfolgt. Die Ideallösung dieser Aufgabe wäre ein Tintenstrahldruckkopf, dessen erste natürliche Resonanz um eine Frequenz größer als die Arbeitsfrequenz ist. Jedoch unter Verwendung vorhandener Materialien ist es nicht möglich, einen Tintenstrahldruckkopf mit den gewünschten Abmessungen und einer gewünschten Arbeitsfrequenz zu erzeugen, der bei dieser idealen Wirkungsweise arbeitet.

Weitere Merkmale sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Einzelheiten der Erfindung sind nachstehend anhand von in den Fign. veranschaulichten Ausführungsbeispielen beschrieben.

Es zeigen:

Fign. 1a, 1b, eine Vorderansicht bzw. Seitenansicht bzw. einei. 1c Schnitt entlang der Linie A-A des Kopfkörpers eines Tintenstrahldruckkopfes,

Fign. 2a, 2b, eine Vorderansicht, eine Seitenansicht und eine 2c Draufsicht auf einen Tintenstrahldruckkopf, der den Kopfkörper nach Fig. 1 verwendet,

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Fign. 3a, 3b, eine Vorderansicht, eine Seitenansicht und einer 3c Schnitt entlang der Linie B-B eines anderen Kopfkörpers,

Fig. 4 einen Tintenstrahldruckkopf, der den Kopfkörper nach Fig. 3 verwendet in schaubildlicher Darstellung und

Fig. 5 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Reduzierung der ersten Resonanzfrequenz des Druckkopfes als eine Funktion des Dickenverhältnisses des Übertragers und Kopfkörpers.

An der Vorderseite des Kopfkörpers 10 ist die Düsen 16 aufweisende Düsenplatte 14 angeordnet und an der Rückseite des Kopfkörpers 10 befindet sich der elektromechanische Wandler 18 Aus dem Düsenkopf wird eine Mehrzahl von Tintenstrahlen ausgestoßen, die in einer Weise erregt werden, um in gleichförmig« und gleich voneinander beabstandete Tröpfchen in einem festen Abstand von der Düsenplatte aufzubrechen.

Der Kopfkörper 10 besteht aus einem Block mit dem Tintendurchgang 12. Ein spezifisch hochsteifes Material, das mit der Tinte und den anderen Materialien des Kopfkörpers chemisch verträglich ist, ist verwendbar. Edelstahl ist ein derartiges Material und keramische Materialien wie Glas, Aluminium und Siliciumkarbid sind ebenfalls verwendbar. Die spezifische Steifheit wird durch das Verhältnis — bestimmt, worin E der Young Elasizitätsmodul und das ρ die Dichte des Materiales ist. Die spezifische Steifigkeit der eben angeführten Materialien variiert zwischen 4,2·1O⁶ mm für Edelstahl bis zu 23 bis 32*10 mm für Siliciurakarbid. Der Tintendurchgang 12 weist den schmalen Schlitz 28 auf, der an der Seite 36 des Kopfkörpers 10 angeordnet ist, an welcher die Düsenplatte 14 befestigt ist. Die an gegenüberliegenden Seiten des Kopfkörpers einmündenden

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Einlaß- und Auslaßöffnungen 30, 31 sind mit dem Schlitz 28 verbunden. Der Schlitz 28 wird klein gehalten, um die hohe Steifheit des Kopfkörpers beizubehalten. Dadurch werden die Resonanzfrequenzen hoch gehalten und Resonanzen in der interessanten Frequenzgrößenordnung von 100 kHz bis zu 200 kHz werden auf ein Mindestmaß zurückgeführt. Obwohl die Form des Kopfkörpers rechteckförmig dargestellt ist, sind andere Formen, wie beispielsweise eine zylindrische, mit parallelen oder zur Zylinderachse rechtwinkligen Mantelflächen verwendbar.

Der elektromechanische Wandler ist an der Rückseite des Kopfkörpers angeordnet und seine Dicke ist gering im Vergleich zur Dicke des Kopfkörpers. Vorzugsweise wird ein piezoelektrischer Kristall verwendet und geeignet ist eine Blei-Zirkonat Blei-Titanatkeramik. Bei Verwendung des dünnen Kristalls wird der Einfluß des Kristalls auf die Resonanzcharakteristiken der Einheit gering gehalten. Die Steifheit und die Masse des Kopfkörpers sind so viel größer als jene des Kristalls, das die Resonanzcharakteristiken im wesentlichen jene des Kopfkörpers allein sind.

Das Verhältnis in Prozenten der ersten Resonanzfrequenz des gesamten Kopfes f . und der ersten Resonanzfrequenz nur des Kopfkörpers allein f . ist in Fig. 5 gegenüber dem Dickenverhältnis m für einen Kopfkörper aus Stahl und einen aus der genannten Keramik veranschaulicht. Ähnliche Kurven sind für andere Materialkombinationen erhaltbar. Die Fig. 5 veranschaulicht die prozentuale Verminderung der ersten Resonanzfrequenz des Kopfes infolge des Vorhandenseins des Verhältnisses der Dicke der Kristallplatte zur Dicke der Kristallplatte und des Kopfkörpers. Um die Verminderung innerhalb von 10 % zu halten, sollte wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, das Dickenverhältnis kleiner als 5 % sein. Typische Abmessungen eines Tintenstrahldruckkopfes sind 12,7 mm für die Dicke T des Kopfkörpers und 0,5 mm für die Dicke t des Kristalls. Dies ent-

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spricht einem Dickenverhältnis =■ von 4 %, wodurch eine Verminderung der ersten Resonanzfrequenz des Kopfes um weniger als 10 % erzielbar ist. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, haftet die Düsenplatte 14 an der Vorderseite 36 des Kopf- j körpers, so daß die Düsen 16 mit dem schmalen Schlitz 28 ausgerichtet sind. Die Düsenplatte kann auf irgendeine geeignete Weise mit dem Kopfkörper verbunden sein, die eine gleichförmig starre Verbindungslinie erzeugt und chemisch neutral sich gegenüber der Tinte verhält, so daß die Düsenplatte gezwungen wird, die Schwingungen des Kopfkörper (durch gestrichelte Linien in Fig. 2c dargestellt) anzunehmen. Die Tinteneinlaßleitung 32 ist in die Einlaßöffnung 30 eingesetzt und der piezoelektrische Kristall 18 ist mit der Rückseite 38 des j Kopfkörpers 10 verbunden. Der Kristall 18 ist mit dem Kopfkörper durch irgendein geeignetes Verfahren verbindbar, das eine starre Verbindung herstellt, die bezüglich der Kristalldicke dünn ist, um eine maximale Übertragung von Energie vom Kristall auf den Kopfkörper zu gewährleisten. Ein bevorzugtes Bindemittel ist ein geeigneter Kunstharzbinder.

Eine sinusförmig sich verändernde Spannung der Spannungsquelle 20 wird dem Kristall 18 zugeführt, um die Tintenstrahlen 22 zu erregen, so daß die letzteren bei einer festen Entfernung 2< von der Düsenplatte in eine Serie von gleichförmigen und gleich voneinander beabstandeten Tröpfchen 26 zerfallen. Der Kristall 18 erzeugt ein Schwingen der Vorderseite des Kopfkörpers 10, wie durch gestrichelte Linien in Fig. 2 dargestellt ist. Es ist wichtig für die Erzeugung eines Tropfenaufbrechpunktes bei einer festen Entfernung 24 von der Düsenplatte, daß die Knotenpunkte 34 der Schwingung parallel zur Düsenreihe in der Düsenplatte 14 verlaufen. Die Form und die Abmessungen des Tintenstrahldruckkopfes sind so gewählt, um bei einer besonderen Frequenz zu arbeiten, bei welcher der Kopf so erregt wird, daß die in Fig. 2 dargestellte richtige Schwingung erzeugt wird.

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Sind mehrere Reihen von Tintenstrahlen erwünscht, ist jede Reihe mit einem separaten Schlitz 28 hinter ihren Düsen (Fig. 3|) auszurüsten. Der Kopfkörper 11 hat dann zwei Schlitze 28· und Einlaßöffnungen 30' und Ausgangsöffnungen 31', die mit jedem der Schlitze 28* verbunden sind. Der Tintenstrahldruckkopf nach Fig. 3 besitzt die Düsenplatte 15 mit zwei Reihen von Düsen 17. Die Düsenplatte ist mit dem Kopfkörper 11 verbunden, so daß die Reihen von Düsen 17 mit den Schlitzen 28' ausgerichtet sind. Dieser Aufbau sorgt für die Beibehaltung der hohen Steifheit des Tintenstrahldruckkopfes und erzeugt Knotenpunkte 34', die parallel zu den Düsenreihen (Fig. 4) verlaufen. Hierbei ist bei einem durch eine geeignete Sinuswellenspannung erfolgten Erregen des Wandlers 19 ein einheitliches Aufbrechen in jedem der Tintenstrahlen erhaltbar. Dieser Aufbau ist vorteilhaft gegenüber anderen vielreihigen Düsenköpfen mit einer einzigen Kammer, die allen Düsenreihen zugeordnet ist. In derartigen Köpfen ist die, diese große Kammer abdeckende Düsenplatte eine relativ weiche Membran, wodurch komplexe resonante Charakteristiken herbeigeführt werden.

Einige andere Vorteile des erfindungsgemäßen Tintenstrahldruckkopfes beziehen sich nicht auf die Resonanzencharakteristiken. Ein Vorteil ist darin zu sehen, daß der piezoelektrische Kristall von der Tinte nicht berührt wird, wodurch die Notwendigkeit entfällt, den Kristalltreibstrom durch die Tinte zu führen und ein chemischer Angriff des Kristalls, der Kristallelektroden oder des Kristallbindemittels durch die Tinte verhindert wird. Ein weiterer Vorteil ist der, daß Dichtungsringe zum Abdichten der Tintendurchgänge und der Schrauben des Druckkopfes nicht erforderlich sind. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß der schmale Tintendurchgang eine hohe Tintengeschwindigkeit gestattet, wodurch in einem Spülzustand das Entfernen von Luftblasen oder anderen Verunreinigungen, welche die Wirkungsweise beeinflussen, erleichtert

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wird, was typisch ist während des Startens. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, daß die geringe räumliche Größe und das Gewicht des Tintenstrahldruckkopfes es ermöglichen, ihn in einer kompletten Tintenstrahldruckkopfeinheit einzubauen, die den beschriebenen Tintenstrahldruckkopf nebst Ladeplatten, Ablenkplatten und Tintenstrahlauffangblenden enthält.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Tintenstrahldruckkopf mit mindestens einer Reihe von Düsen, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Düsen (16 bzw. 17) aufweisende Düsenplatte (14 bzw. 15) und ein elektromechanischer Wandler (18 bzw. 19) auf gegenüberliegenden Seiten eines quaderförmigen Kopfkörpers (10 bzw. 11) befestigt sind, daß pro Düsenreihe im Kopfkörper (10 bzw. 11) ein schmaler, mit einer Einlaß- (30) und einer Auslaßöffnung (31) für die Tinte verbundener Schlitz (28) angeordnet ist, der zur zugeordneten Düsenreihe parallel verläuft, daß die Dicke des Wandlers (18 bzw. 19) kleiner ist als der Abstand der beiden erwähnten Seiten des Kopfkörpers (10 bzw. 11) und daß der erregte Wandler (18 bzw. 19) Schwingungen der Düsenplatte (14 bzw. 15) erzeugt, deren Knotenpunkte parallel zur Düsenreihe verlaufen.

Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Wandlers (18 bzw. 19) kleiner ; als ein 20stel des Abstandes der beiden, die Düsenplatte j (14 bzw. 15) und den Wandler (18 bzw. 19) tragenden ' Seiten des Kopfkörpers (10 bzw. 11) ist.

Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektromechanische Wandler (18 bzw. 19) ein piezoelektrischer Kristall ist.

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