DE3007189A1

DE3007189A1 - Mit druckimpulsen arbeitende vorrichtung zur erzeugung von fluessigkeitstroepfchen

Info

Publication number: DE3007189A1
Application number: DE19803007189
Authority: DE
Inventors: Sting-Goeran Larsson
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1979-04-25
Filing date: 1980-02-26
Publication date: 1980-11-06
Also published as: GB2047628A; DE3007189C2; JPS55144174A; JPS6325942B2; GB2047628B; CA1140199A

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine mit Druckimpulsen arbeitende Vorrichtung zur Erzeugung von Flüssigkeitstropfen/ bei der ein piezoelektrischer Wandler außeraxial in Bezug auf einen Farbstoffkanal angeordnet ist. Wenn der piezoelektrische Wandler erregt wird, vergrößern sich seine Abmessungen zu dem Kanal hin, so daß der Kanal zusammengepreßt wird; dadurch wird wiederum der in dem Kanal enthaltene Farbstoff zusammengepreßt und aus einer öffnung ausgestoßen.

Das Prinzip der vorliegenden Erfindung kann bei jeder mit Druckimpulsen arbeitenden Vorrichtung zur Erzeugung von Flüssigkeitströpfchen eingesetzt werden. Die größten Vorteile ergeben sich jedoch dann, wenn das Wandlersystem mit Längsschwingungen in der Ebene des Wandlers bei einem Farbstrahl-Aufzeichnungssystem eingesetzt wird. Deshalb soll die vorliegende Erfindung im folgenden in Verbindung mit einem Farbstrahl-Aufzeichnungssystem erläutert werden.

Es sind bereits viele kommerzielle Ausführungen von Farbstrahl-Aufzeichnungseinrichtungen auf dem Markt. Im allgemeinen benutzen diese "Farbstrahldrucker" eine kolbenähnliche Gegentakt-Wirkung, um zur Erzeugung einer Abbildung Flüssigkeitstropfen aus einer kleinen, düsenförmigen Öffnung auszustoßen. Meistens wird ein piezoelektrischer Wandler zur Erzeugung der kolbenartigen Wirkung verwendet. Bei einem piezoelektrischen Wandler handelt es sich um ein Element, das elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt. In der US-PS 2 512 743 vom 27. Juni 1950 ( C.W. Hanseil) wird eine Farbstrahldüse beschrieben, bei der die Längsschwingungen eines kreisförmigen, piezoelektrischen Wandlers ausgenutzt wurden; diese Längsschwingungen verlaufen längs der Achse, in welcher der Farbstoff ausgestoßen wird. Der piezoelektrische Wandler ist koaxial zu einer konischen Düse angeordnet, wobei die axiale Verlän-

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gerung zur Erzeugung von Druckwellen ausgenutzt wird, welche die Tröpfchen aus der Düse ausstoßen. Es sind noch verschiedene andere Ausführungsformen von piezoelektrischen Wandlern vorgeschlagen worden. Ein Grundaufbau wird in einem Artikel beschrieben, der von dem Erfinder der vorliegenden Anmeldung mitverfaßt wurde. Dieser Artikel erschien unter dem Titel "The Piezoelectric Capillary Injector - A New Hydrodynamic Method for Dot Pattern Generation" ("Der piezoelektrische Kapillarinjektor - ein neues hydrodynamisches Verfahren für die Erzeugung von Punktmustern") im Jan. 1973 auf den Seiten 14 bis 19 der IEEE Transactions on Electron Devices; die Autoren dieses Artikels waren Erik Stemme and Stig-Göran Larsson. In dieser Veröffentlichung wird ein System beschrieben, bei dem eine bilaminare, piezoelektrische Metallscheibe zur Bewegung des Farbstoffs koaxial zu der bilaminaren Scheibe verwendet wird. Bei diesem System bewirkt das Anlegen eines elektrischen Spannungsimpulses an die Scheiben einen nach innen, d.h., zu dem Farbstoff, hin gerichtete Durchbiegung, welche Farbstoff tröpfchen aus einer öffnung herausdrückt. Die US-PS 3 946 398 vom 23. März 1976 zeigt eine ähnliche Einrichtung; bei der Einrichtung nach dieser Patentschrift wird jedoch die Durchbiegung der Scheibe dazu verwendet, Farbstoff durch eine Öffnung auszustoßen, wobei die Achse der Ausstoßrichtung der Farbtröpfchen senkrecht zu der Achse der Scheibe verläuft.

Zwei andere Anordnungen werden in der US-PS 3 857 049 vom 24. Sept. 1974 gezeigt. Bei der Anordnung nach den Figuren 1 bis 4 dieser Patentschrift umgibt ein rohrförmiger Wandler einen den Farbstoff enthaltenden Kanal; der Wandler drückt den Kanal zusammen, wodurch ein Tröpfchen ausgestoßen wird, wenn er durch Anlegen eines elektrischen Spannungsimpulses erregt wird. In Fig. 6 dieser Patentschrift ist ein System dargestellt, bei dem die radiale Expansion einer Scheibe,

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die in Abhängigkeit von dem elektrischen Spannungsimpuls erfolgt, dazu verwendet wird, den Farbstoff in Umfangskanälen zusammenzudrücken, wodurch Farbstofftropfchen aus einer Düse ausgestoßen werden. Andere, ähnliche Anordnungen sind ebenfalls bereits vorgeschlagen worden. Der Grund ' dafür, daß so viele verschiedene Anordnungen vorgeschlagen worden sind, liegt darin, daß immer noch nach einem System gesucht wird, das wirtschaftlich, effizient, zuverlässig und ausreichend kompakt ist, so daß es in einem Drucker eingesetzt werden kann. Eine optimale Konstruktion würde beispielsweise die leichte Reinigung und Vorbereitung bzw. Einfahren ermöglichen. Außerdem sollte die Konstruktion so ausgelegt werden, daß mitgerissene Luftblasen leicht entfernt werden können.

Die Erfindung soll deshalb eine mit Druckimpulsen arbeitende Vorrichtung zur Erzeugung von Flüssigkeitströpfchen vorschlagen, die eine wesentliche Verbesserung im Vergleich mit den herkömmlichen Ausführungsformen bringt; zu diesem Zweck ist eine im wesentlichen lineare bzw. geradlinige Kante eines im wesentlichen rechtwinkligen Wandlers außeraxial längs eines Kanals angeordnet, so daß der Farbstoff in dem Kanal zusammengedrückt werden kann, um ein Tröpfchen auszustoßen.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt darin, daß es sich bei der Farbstoffbahn um einen geradlinigen Kanal handelt, so daß der Farbstoff-Kreis leicht in Betrieb genommen und auch gereinigt werden kann. Außerdem lassen sich Luftblasen leicht entfernen, da keine Ecken oder Toträume vorhanden sind, in denen Luftblasen gefangen werden können. Außerdem läßt sich diese Vorrichtung sehr dicht "packen" und damit zu größeren Einheiten zusammenstellen, da mehr Wandler und Düsen auf einer kleineren Fläche untergebracht werden können als dies bei den herkömmlichen Ausführungsformen der Fall war; zu diesem Zweck wird eine lineare Kante eines Wandlers außeraxial längs eines Kanals ausgenutzt. Dieser Vorteil ist besonders wesentlich bei der Konstruktion von Hochgeschwindig-

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keits-Druckern.

Die Erfindung schafft also eine mit Druckimpulsen arbeitende Vorrichtung zur Erzeugung von Flüssigkeitströpfchen, bei der ein rechtwinkliger, piezoelektrischer Wandler außeraxial zu einem Farbstoff enthaltenden Kanal angeordnet ist. Die dem Kanal gegenüberliegende Kante des Wandlers wird stationär gehalten, so daß bei Erregung des Wandlers durch einen elektrischen Impuls der Wandler sich in Richtung auf den Kanal hin "verlängert", wodurch der Kanal zusammengedrückt und ein Tröpfchen aus dem Kanal ausgestoßen wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Wandlers, bei der die Richtungen X, Y und Z eingetragen sind, um das Verständnis des Wandlers zu erleichtern, bei dem die Längsschwingungen in seiner Ebene erfolgen,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines mit Längsschwingungen in seiner Ebene arbeitenden Wandlers, der außeraxial zu einem im wesentlichen geradlinigen Kanal ausgerichtet ist,

Fig. 3 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer mit Druckimpulsen arbeitenden Vorrichtung zur Erzeugung von Flüssigkeitströpfchen mit einem in Längsrichtung schwingenden Wandler, der außeraxial zu einem Farbstoff enthaltenden Kanal angeordnet ist, und

Fig. 4 eine schematische Querschnitts-Darstellung einer

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Stirnansicht einer Gruppe mit abaxialen Wandlern.

In allen Figuren sind gleiche Teile mit ähnlichen Bezugszeichen versehen, um die Klarheit und Übersichtlichkeit zu verbessern.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines rechteckigen bzw. rechtwinkligen piezoelektrischen Elementes, das insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 versehen ist. Das piezoelektrische Element 1 ist auf seinen Oberflächen 3 und 5 mit einem leitenden Material beschichtet. Ein Generator für elektrische Spannungsimpulse (nicht dargestellt) ist über elektrische Leitungsdrähte 7 und 9 mit den leitenden Oberflächen 3 und 5 verbunden. Das piezoelektrische Element 1 wird während seiner Herstellung in der Richtung polarisiert, die durch den Pfeil 2 angedeutet ist. Die Anlegung eines elektrischen Feldes in einer Richtung, die entgegengesetzt zu der Polarisationsrichtung 2 ist, bewirkt eine Kontraktion des piezoelektrischen Elementes 1, d.h., das piezoelektrische Element 1 wird in Z-Richtung dünner. Wenn dies auftritt, expandiert oder verlängert sich das piezoelektrische Element 1 in der X- und Y-Richtung, wie durch die gestrichelten Linien angedeutet ist. Die planare bzw. ebene Bewegung der Enden und Kanten des rechtwinkligen, piezoelektrischen Elementes 1 von seiner Mitte weg wird in dieser Beschreibung als "Verlängerungsbewegung in der Ebene" bezeichnet. Das piezoelektrische Element 1 wird in der X- und Y-Richtung verlängert, wenn es durch einen elektrischen Spannungsimpuls erregt wird, der über die elektrischen Leitungen 7 und 9 angelegt wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Kante 4 des piezoelektrischen Elementes 1 fixiert bzw. stationär gehalten, beispielsweise mittels eines Blocks 11, wie er in den Figuren 3 und 4 dargestellt ist. Die Expansion des piezoelektrischen Elementes 1 in Y-Richtung kann deshalb nur eine Verlängerungsbewegung in der Richtung von dem Block 11 weg verursachen. Diese Verlangerungsbewegung

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wird auf den Farbstoff 13 in dem Kanal 15 übertragen, wie man in Fig. 2 erkennen kann. Um die Bewegung in der Y-Richtung noch weiter zu erhöhen, d.h., größer zu machen, können auch die Kanten 6 und 8 fixiert, d.h., stationär gehalten werden. Denn dies führt zu einer Beschränkung bzw. Begrenzung der Verlängerungsbewegung des piezoelektrischen Elementes in der X-Richtung in seiner Ebene, wodurch sich eine Vergrößerung der Bewegung in der Y-Richtung um näherungsweise 30 % ergibt.

In Fig. 2 ist ein piezoelektrisches Element 1 dargestellt, das an einer Kante 4 mittels einer nicht dargestellten Einrichtung fest in seiner Lage gehalten wird. Ein "Fuß" 21 ist mit der gegenüberliegenden Kante des piezoelektrischen Elementes 1 verbunden worden. Der Fuß 21 vergrößert die effektive Breite des piezoelektrischen Elementes 1 und führt zu einem größeren Volumen des ausgestoßenen Farbstoffs als es sonst ohne Erhöhung der Breite des piezoelektrischen Elementes 1 erreicht werden kann. Es ist günstiger, den Fuß 21 zu verwenden als die Dicke des piezoelektrischen Elementes 1 zu erhöhen, weil zur Erzielung der gleichen Volumenverformung eine höhere Spannung benötigt wird, um dickere Elemente anzutreiben. Außerdem läßt sich eine bessere elektrische Isolierung zwischen piezoelektrischen Elementen erreichen, die zu einer größeren Gruppe zusammengefaßt sind. Die Bewegung des Fußes 21 wird wiederum durch eine flexible Membran 17 auf den Farbstoff 13 in dem Kanal 15 übertragen. Die Membran 17 muß es ermöglichen, daß die Bewegung des Elementes 1 auf den Farbstoff 13 übertragen wird; außerdem muß sie verhindern, daß der Farbstoff 2 rund um den Fuß 21 und das piezoelektrische Element 1 nach oben dringt. Der Kanal 15 weist starre Wände auf und ist starr in Bezug auf den stationären Rand 4 fixiert. Die Bewegung des Elementes 1 erzeugt einen ausreichenden Druck und eine Volumenverformung in dem Farbstoff 13, um Tröpfchen aus einer Öffnung 23 (siehe die Figuren 3 und 4) auszustoßen.

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Der das piezoelektrische Element 1 zwischen dem Fixierblock 11 und dem stationären Kanal 15 umgebende Raum ist mit einem isolierenden Material 19 gefüllt. Das Material 19 muß ausreichend isolierend sein, weil es im Kontakt mit den leitenden Oberflächen 3 und 5 ist, und muß außerdem relativ flexibel sein, um eine Verlängerungsbewegung und eine Schrumpfung des piezoelektrischen Elementes in der Richtung X, Y und Z zu ermöglichen. Bei dem Kanal 15 kann es sich um ein selbsttragendes Rohr oder einen Kanal bzw. eine Rinne handeln; als Alternative hierzu kann auch ein Loch verwendet werden, das in irgendeinem geeigneten Material durch spanabhebende Bearbeitung, Ätzen oder Gießen hergestellt worden ist.

Die Volumenverformung, die bei dem Wandler mit Längsschwingungen in seiner Ebene nach der vorliegenden Erfindung erzielt werden können, läßt sich durch die folgende Gleichung näherungsweise angeben:

AV = -l_xl_vw(^d31^E + γ- S₁₁ P) dabei sind

^V die Volumenverformung, ρ der Druck im Farbstoff,

E das elektrische Feld, das an das piezoelektrische Element 1 angelegt wird, 1,1,1 die Länge, Höhe und Dicke des

piezoelektrischen Elementes 1, w die Breite des Fußes 21, s.j. die Nachgiebigkeits-Konstante

(compliance constant) des piezoelektrischen Materials, und

d_. die Pielektrizitätskonstante des piezoelektrischen Materials.

Aus dieser Gleichung läßt sich ableiten, daß der auf den

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Farbstoff 13 ausgeübte Druck und die Volumenverformung unabhängig voneinander durch Einstellung der Breite des Fußes 21 und durch getrennte Einstellung der Abmessung des piezoelektrischen Elementes 1 in der X-,Y- und Z-Richtung gesteuert werden können.

Bei der Anordnung nach Fig. 3 wird der Kanal 15 in einem isolierenden, flexiblen Element 19 ausgebildet. Dieser Kanal kann beispielsweise durch Bohren oder irgendein anderes zweckmäßiges Verfahren ausgebildet werden, nachdem das piezoelektrische Element 1, die Leitungen 7 und 9 und der Fuß 21 in ihre Betriebsstellung gebracht worden sind. Aus Fig. 3 läßt sich die einfache Konstruktion erkennen, die durch die Verwendung eines piezoelektrischen Wandlers mit Längsschwingungen in seiner Ebene möglich wird, der Farbstoff fließt relativ linear bzw. geradlinig von dem Punkt der Farbstoffzuführung (nicht dargestellt) durch den Kanal 15 zu der Auslaßdüse 23. Ein Ausführungsbeispiel eines solchen piezoelektrischen Elementes 1 wurde aus dem piezokeramischen Material PZT-5H hergestellt, das von der Vernitron Piezoelectric Division, Bedford, Ohio, bezogen werden kann; dieses piezoelektrische Element 1 hatte eine Dicke von 0,25 mm, eine Höhe von 5 mm und eine Länge von 15 mm.. Der Kanal 15 hatte einen kreisförmigen Querschitt und einen Durchmesser von ungefähr 0,75 mm; die Öffnung 23 hatte einen Durchmesser von ungefähr 50 um. Der Fuß 21 hatte eine Breite von ungefähr 0,75 mm. Für die Anwendung bei einem Drucker wird zweckmäßigerweise ein Potential von ungeführ 50 Volt bei einer Frequenz von ungefähr 8 kHz angelegt.

Fig. 4 zeigt schematisch, wie eine Gruppe von Düsen unter Verwendung der Konstruktion nach Fig. 2 hergestellt werden kann. In diesem Fall werden mehrere, mit Druckimpulse arbeitende Vorrichtungen zur Erzeugung von Flüssigkeitströpfchen Seite an Seite angeordnet, so daß eine solche Gruppe

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entsteht. Eine Stange 11 wird dazu verwendet, die piezoelektrischen Elemente 1 in ihrer Lage zu fixieren. Eine solche Anordnung kann beispielsweise bei einem Hochgeschwindigkeitsdrucker eingesetzt werden.

Selbstverständlich sind verschiedene Modifikationen an den beschriebenen Ausführungsformen möglich. Beispielsweise könnte der Querschnitt des Kanals 15 kreisförmig oder rechtwinklig sein oder irgendeine andere geeignete Form haben. Außerdem könnte das piezoelektrische Element 1 bei Bedarf durch ein elektrostriktives oder magnetostriktives Element ersetzt werden.

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e e r s e 11 e

Claims

PAT E Γ J TA N W Ä LV E

A. GRÜNECKER

OPt-IN¹G

H. KINKELDEY

DR.INS

W. STOCKMAIR

DR-ING AeE(CALTECHl

K. SCHUMANN

DRRERt^AT DIPU-PHYS

P. H. JAKOB

D(PL -ING

G. BEZOLD

OR. RER NAT DF¹L-CHEM

8 MÜNCHEN

MAXIMILIANSTRASSE

26. Feb. 1980

P 14 681

XEROX CORPORATION
Xerox Square, Rochester, New York 14644-, USA

Mit Druckimpulsen Arbeitende Vorrichtung
zur Erzeugung von Flüssigkeitströpfchen

Patentansprüche

/—^
f 1.) Mit Druckimpulsen arbeitende Vorrichtung zur Erzeugung von i'lüssigkeitströpfchen mit einem Längs schwingungen in seiner Ebene aufweisenden piezoelektrischen Wandler mit leitenden Seitenwänden, die über elektrische Leitungen mit einer Quelle für eine elektrische Spannung verbindbar sind, und mit einem Kanal, der so angeordnet ist, daß er beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die Wände durch eine erste Kante des piezoelektrischen Wandlers zusammengedrückt werden kann, um einen Farbstoff aus einer öffnung auszustoßen, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Wandler (1) im wesentlichen rechtwinklig ist, und daß die erste, den Kanal (15) zusammendrückende Kante eine im wesentlichen lineare Kante ist.

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TELEFON (Ο8Θ) 322863

TELEX OB-2S38O

TELEQRAMME MONAPAT

TELEKOPERER
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen vergrößerten Fuß (21), der zwischen dem piezoelektrischen Wandler (1) und dem Kanal (15) vorgesehen ist.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine flexible Membran (17) zwischen dem piezoelektrischen Wandler (1) und dem Kanal (15).
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kante (4), die der ersten Kante des piezoelektrischen Wandlers (1) gegenüberliegt, stationär in Bezug auf den Kanal (15) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten (6, 8) so angeordnet sind, daß der in der Ebene liegende Abstand zwischen den Kanten (6, 8) im wesentlichen konstant ist.

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