DE3007189C2

DE3007189C2 -

Info

Publication number: DE3007189C2
Application number: DE19803007189
Authority: DE
Inventors: Sting-Goeran Carrollton Tex. Us Larsson
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1979-04-25
Filing date: 1980-02-26
Publication date: 1992-06-04
Also published as: GB2047628A; JPS55144174A; JPS6325942B2; GB2047628B; DE3007189A1; CA1140199A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen von Flüssigkeitströpfchen mit einem piezoelektrischen Wandler, der auf gegenüberliegenden Seitenflächen angeordnete Elektroden aufweist, und mit einem, eine Flüssigkeit aufnehmenden und eine Austrittsöffnung aufweisenden Kanal, wobei der piezoelektrische Wandler außerhalb der Achse des Kanals so angeordnet ist, daß bei Anlegen einer elektrischen Spannung an die beiden Elektroden das in dem Kanal enthaltene Flüssigkeitsvolumen aufgrund der Formänderung des piezoelektrischen Kristalls durch eine quer zu der Achse des Kanals erfolgende Bewegung einer seiner Seitenflächen zusammengedrückt wird, wodurch ein Flüssigkeitstropfen aus der Austrittsöffnung des Kanals ausstoßbar ist.

Das Prinzip der vorliegenden Erfindung kann bei jeder mit Druckimpulsen arbeitenden Vorrichtung zur Erzeugung von Flüssigkeitströpfchen eingesetzt werden. Die größten Vor teile 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 Farb strahl-Aufzeichnungseinrichtungen auf dem Markt. Im allge meinen benutzen diese "Farbstrahldrucker" eine kolbenähn liche Gegentakt-Wirkung, um zur Erzeugung einer Abbildung Flüssigkeitstropfen aus einer kleinen, düsenförmigen Öff nung auszustoßen. Meistens wird ein piezoelektrischer Wand ler zur Erzeugung der kolbenartigen Wirkung verwendet. Bei einem piezoelektrischen Wandler handelt es sich um ein Ele ment, das elektrische Energie in mechanische Energie um wandelt. In der US 25 12 743 wird eine Farbstrahldüse beschrieben, bei der die Längsschwingungen eines kreisförmigen, piezoelektri schen Wandlers ausgenutzt wurden; diese Längsschwingun gen verlaufen längs der Achse, in welcher der Farbstoff ausge stoßen wird. Der piezoelektrische Wandler ist koaxial zu einer konischen Düse angeordnet, wobei die axiale Verlän gerung zur Erzeugung von Druckwellen ausgenutzt wird, welche die Tröpfchen aus der Düse ausstoßen. Es sind noch verschiedene andere Ausführungsformen von piezo elektrischen Wandlern vorgeschlagen worden. Ein Grund aufbau wird in einem Artikel beschrieben, der von dem Erfinder der vorliegenden Anmeldung mitverfaßt wurde. Dieser Artikel erschien unter dem Titel "The Piezoelec tric Capillary Injector - A New Hydrodynamic Method for Dot Pattern Generation" ("Der piezoelektrische Kapillar- Injektor - 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 Sy stem beschrieben, bei dem eine bilaminare, piezoelektri sche Metallscheibe zur Bewegung des Farbstoffs koaxial zu der bilaminaren Scheibe verwendet wird. Bei diesem System bewirkt das Anlegen eines elektrischen Spannungs impulses an die Scheiben eine nach innen, d. h., zu dem Farbstoff, hin gerichtete Durchbiegung, welche Farb stofftröpfchen aus einer Öffnung herausdrückt.

Zwei andere Anordnungen werden in der US 38 57 049 gezeigt. Bei der Anordnung nach den Fig. 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, die in Abhängigkeit von dem elektrischen Spannungsimpuls erfolgt, dazu verwendet wird, den Farbstoff in Umfangskanälen zusammenzudrücken, wodurch Farbstofftröpfchen aus einer Düse ausgestoßen werden. Andere, ähnliche Anordnungen sind ebenfalls bereits vorgeschlagen worden. Weitere mit piezoelektrischen Wandlern arbeitende Schreibvorrichtungen bzw. Vorrichtungen zur Erzeugung von Flüssigkeitstropfenströmen sind aus der DE 25 27 647 A1, der DE 25 32 037 A1 sowie der GB 15 00 908 bekannt. 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. ein leichtes Einfahren ermöglichen. Außerdem sollte die Konstruktion so ausgelegt werden, daß mitgerissene Luftblasen leicht entfernt werden können.

Eine Vorrichtung zum Erzeugen von Flüssigkeitströpfchen mit einem piezoelektrischen Wandler der eingangs erwähnten Art ist aus der US-PS 39 46 398 bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung ist der piezoelektrische Wandler scheibenförmig ausgebildet und in einer entsprechenden Öffnung eines Gehäuses in seinem Randbereich befestigt. Der Wandler setzt sich aus zwei piezoelektrischen Kreisplatten zusammen, die über eine gemeinsame Elektrode miteinander verbunden sind. Die freien Endflächen der Kreisplatte sind ebenfalls mit Elektroden versehen. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die äußeren Elektroden läßt sich eine Auslenkung der Kreisplatte erreichen, indem sich die Kreisplatte durchbiegt. Durch eine Durchbiegung in Richtung zu einem Flüssigkeit enthaltenden Kanal wird das darin enthaltene Flüssigkeitsfassungsvolumen verringert und infolgedessen ein Tröpfchen durch eine Austrittsöffnung des Kanals ausgestoßen.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Erzeugen von Flüssigkeitströpfchen mit einem piezoelektrischen Wandler der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, welcher gegenüber diesem Stand der Technik verbessert ist.

Die diese Aufgabe lösende Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Wandler im wesentlichen die Form eines verhältnismäßig dünnen Quaders aufweist, die Elektroden auf den sich am nächsten gegenüberliegenden Breitseitenflächen des Wandlers vorgesehen sind, und der Wandler mit einer seiner Schmalseitenflächen an den Kanal angrenzt, wobei die Kanallängsachse im wesentlichen parallel zu den Längsseiten der angrenzenden Schmalseitenfläche des Wandlers verläuft.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung dieser Art liegt darin, daß es sich bei der Farbstoffbahn um einen geradlinigen Kanal handelt, so daß der Farbstoffkreis leicht in Betrieb genommen und auch gereinigt werden kann. Außerdem lassen sich Luftblasen leichter entfernen, da keine Ecken oder Toträume vorhanden sind, in denen Luftblasen gefangen werden können. Außerdem lassen sich durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Wandlers gegenüber Vorrichtungen mit kreisscheibenförmigem Wandler schmalere Einheiten für die Erzeugung von Flüssigkeitströpfchen herstellen, so daß bei der Zusammenstellung dieser Einheiten zu größeren Anordnungen von Flüssigkeitströpfchen erzeugenden Vorrichtungen mehr Wandler und Düsen auf einer kleinen 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 keits-Druckern.

Die Erfindung schafft also eine mit Druckimpulsen arbei tende Vorrichtung zur Erzeugung von Flüssigkeitströpfchen, bei der ein rechtwinkliger, piezoelektrischer Wandler außer axial 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 zusammen gedrückt und ein Tröpfchen aus dem Kanal ausgestoßen wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei spielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines piezoelektri schen 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 Längs schwingungen in seiner Ebene arbeitenden Wandlers, der außeraxial zu einem im wesentlichen geradlini gen Kanal ausgerichtet ist,

Fig. 3 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer mit Druckimpulsen arbeitenden Vorrichtung zur Er zeugung 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 Stirnansicht einer Gruppe mit abaxialen Wandlern.

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

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines rechteckigen bzw. rechtwinkligen piezoelektrischen Elementes, das ins gesamt mit dem Bezugszeichen 1 versehen ist. Das piezoelek trische 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 Ober flächen 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 Kontrak tion des piezoelektrischen Elementes 1, d. h., das piezoelek trische Element 1 wird in Z-Richtung dünner. Wenn dies auf tritt, expandiert oder verlängert sich das piezoelektrische Element 1 in der X- und Y-Richtung, wie durch die gestrichel ten Linien angedeutet ist. Die planare zw. ebene Bewegung der Enden und Kanten des rechtwinkligen, piezoelektrischen Elementes 1 von seiner Mitte weg wird in dieser Beschrei bung als "Verlängerungsbewegung in der Ebene" bezeichnet. Das piezoelektrische Element 1 wird in der X- und Y-Rich tung verlängert, wenn es durch einen elektrischen Spannungs impuls 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 Fig. 3 und 4 dargestellt ist. Die Expan sion des piezoelektrischen Elementes 1 in Y-Richtung kann deshalb nur eine Verlängerungsbewegung in der Richtung von dem Block 11 weg verursachen. Diese Verlängerungsbewegung wird auf den Farbstoff 13 in dem Kanal 15 übertragen, wie man in Fig. 2 erkennen kann. Um die Bewegung in der Y-Rich tung 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. Begren zung der Verlängerungsbewegung des piezoelektrischen Elemen tes in der X-Richtung in seiner Ebene, wodurch sich eine Vergrößerung der Bewegung in der Y-Richtung um näherungs weise 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 piezoelektri schen Elementes 1 verbunden worden. Der Fuß 21 vergrößert die effektive Breite des piezoelektrischen Elementes 1 und führt zu einem größeren Volumen des ausgestoßenen Farb stoffs als es sonst ohne Erhöhung der Breite des piezoelek trischen Elementes 1 erreicht werden kann. Es ist günsti ger, den Fuß 21 zu verwenden als die Dicke des piezoelektri schen Elementes 1 zu erhöhen, weil zur Erzielung der glei chen 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 zusammen gefaßt 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 Fig. 3 und 4) auszustoßen.

Der das piezoelektrische Element 1 zwischen dem Fixier block 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 Längsschwin gungen in seiner Ebene nach der vorliegenden Erfindung er zielt werden kann, läßt sich durch die folgende Gleichung näherungsweise angeben:

dabei sind
ΔV die Volumenverformung,
p der Druck im Farbstoff,
E das elektrische Feld, das an das piezo elektrische Element 1 angelegt wird,
l_x, l, l_z die Länge, Höhe und Dicke des piezoelektrischen Elementes 1,
w die Breite des Fußes 21,
s₁₁^E die Nachgiebigkeits-Konstante (compliance constant) des piezoelek trischen Materials, und
d₃₁ die Pielektrizitätskonstante des piezo elektrischen Materials.

Aus dieser Gleichung läßt sich ableiten, daß der auf den Farbstoff 13 ausgeübte Druck und die Volumenverformung un abhängig voneinander durch Einstellung der Breite des Fußes 21 und durch getrennte Einstellung der Abmessung des piezo elektrischen Elementes 1 in der X-, Y- und Z-Richtung ge steuert 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, nach dem das piezoelektrische Element 1, die Leitungen 7 und 9 und der Fuß 21 in ihre Betriebsstellung gebracht wor den 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 ei nes solchen piezoelektrischen Elementes 1 wurde aus dem piezo keramischen Material PZT-5H hergestellt, das von der Verni tron 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 Querschnitt und ei nen Durchmesser von ungefähr 0,75 mm; die Öffnung 23 hatte einen Durchmesser von ungefähr 50 µm. Der Fuß 21 hatte eine Breite von ungefähr 0,75 mm. Für die Anwendung bei einem Drucker wird zweckmäßigerweise ein Potential von un gefähr 50 Volt bei einer Frequenz von ungefähr 8 kHz ange legt.

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 Druckimpulsen ar beitende Vorrichtungen zur Erzeugung von Flüssigkeitströpf chen Seite an Seite angeordnet, so daß eine solche Gruppe entsteht. Eine Stange 11 wird dazu verwendet, die piezo elektrischen Elemente 1 in ihrer Lage zu fixieren. Eine solche Anordnung kann beispielsweise bei einem Hochge schwindigkeitsdrucker eingesetzt werden.

Selbstverständlich sind verschiedene Modifikationen an den beschriebenen Ausführungsformen möglich. Beispiels weise 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 magneto striktives Element ersetzt werden.

Claims

1. Vorrichtung zum Erzeugen von Flüssigkeitströpfchen mit einem piezoelektrischen Wandler, der auf gegenüberliegenden Seitenflächen angeordnete Elektroden aufweist, umd mit einem, eine Flüssigkeit aufnehmenden und eine Austrittsöffnung aufweisenden Kanal, wobei der piezoelektrische Wandler außerhalb der Achse des Kanals so angeordnet ist, daß bei Anlegen einer elektrischen Spannung an die beiden Elektroden das in dem Kanal enthaltene Flüssigkeitsvolumen aufgrund der Formänderung des piezoelektrischen Kristalls durch eine quer zu der Achse des Kanals erfolgende Bewegung einer seiner Seitenflächen zusammengedrückt wird, wodurch ein Flüssigkeitstropfen aus der Austrittsöffnung des Kanals ausstoßbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Wandler (1) im wesentlichen die Form eines verhältnismäßig dünnen Quaders aufweist, die Elektroden auf den sich am nächsten gegenüberliegenden Breitseitenflächen (3, 5) des Wandlers (1) vorgesehen sind, und daß der Wandler (1) mit einer seiner Schmalseitenflächen an den Kanal (15) angrenzt, wobei die Kanallängsachse im wesentlichen parallel zu den Längsseiten der angrenzenden Schmalseitenfläche des Wandlers verläuft.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der an den Kanal angrenzenden Schmalseitenfläche des piezoelektrischen Wandlers (1) und dem Kanal (15) ein Fuß (21) vorgesehen ist, der eine größere Fläche als die angrenzende Schmalseitenfläche des piezoelektrischen Wandlers (1) aufweist, wobei die Stärke des Wandlers quer zur Kanallängsachse zwischen den Elektroden kleiner als die Weite des Kanals (15) ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der an den Kanal (15) angrenzenden Schmalseite des piezoelektrischen Wandlers (1) und dem Kanal (15) eine flexible Membran (17) vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die der an den Kanal (15) angrenzenden Schmalseitenfläche gegenüberliegende Schmalseitenfläche (4) des piezoelektrischen Wandlers (1) in bezug auf den Kanal (15) ortsfest angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zu der an den Kanal (15) angrenzenden Schmalseitenflächen im wesentlichen senkrecht angeordneten Seitenflächen (6, 8) des piezoelektrischen Wandlers (1) derart festgelegt sind, daß der Abstand zwischen diesen Seitenflächen (6, 8) sowohl bei angelegter als auch bei fehlender elektrischer Spannung an den Elektroden (3, 5) im wesentlichen konstant ist.