DE3014256A1

DE3014256A1 - Mit piezowandler betriebene fluessigkeitstroepfchen-abgabevorrichtung

Info

Publication number: DE3014256A1
Application number: DE19803014256
Authority: DE
Inventors: Kenneth H Fischbeck; Allen T Wright
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1979-06-01
Filing date: 1980-04-14
Publication date: 1980-12-11
Also published as: US4243995A; CA1155166A; GB2050949B; JPS55161670A; GB2050949A

Description

XEROX CORPORATION
Rochester, N. Y. / USA

Mit Piezowandler betriebene Flüssigkeitströpfchen-Abgabevorrichtung

'Die Erfindung betrifft eine im Impulsbetrieb arbeitende Flüssigkeitströpfchen-Abgabevorrichtung, in der ein Piezowandler einem Farbflüssigkeitskanal derart parallel liegt, daß, wenn der Wandler erregt wird, er sich in Richtung auf den Flüssigkeitskanal ausdehnt und auf die darin befindliche Flüssigkeit einen Druck ausübt. Die Erfindung betrifft vornehmlich eine derartige Tröpfchen-Abgabevorrichtung, bei der der Piezowandler mit einem Material überzogen ist, das ihm in Scherrichtung gegenüber dem Körper, in dem er eingebettet ist, eine gewisse Bewegungsfreiheit gibt.

Die Erfindung kann bei jeder mit Druck arbeitenden Flüssigkeitströpfchen-Abgabevorrichtung eingesetzt werden, zeigt jedoch ihre Vorzüge am besten in einem Flüssigkeitsstrahl-Drucksystem, so daß die Beschreibung in Verbindung mit einem solchen vorgenommen wird.

Flüssigkeitsstrahl-Drucker sind bekannt und auf dem Markt erhältlich, üblicherweise sind darin kolbenartige Vorrichtungen ent-

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halten, mit deren Hilfe aus einer kleinen Düse Farbflüssigkeitströpfchen ausgedrückt werden, um das Bild herzustellen. Man verwendet gern piezoelektrische Wandler, um mit ihnen die kolbenartige Wirkung hervorzurufen. Ein Piezowandler ist ein Element, mit dem elektrische in mechanische Energie umgewandelt werden kann. In der US-PS 2 512 743 ist eine Flüssigkeitsstrahl-Vorrichtung beschrieben, bei der ein kreisförmiger Piezowandler sich, wenn er erregt wird, in Richtung der auszutreibenden Farbe ausdehnt. Der Piezowandler ist dabei koaxial zur konischen / Düse angeordnet, und die axiale' Ausdehnung wird dazu benutzt, Druckwellen zu erzeugen, durch die Farbtröpfchen aus der Düse herausgedrückt werden. Es sind auch verschiedene andere Wandleranordnungen vorgeschlagen worden. Die Beschreibung einer grundlegenden Anordnung findet sich in IEEE Transactions on Elektron Devices, Januar 1973, S. 14 bis 19. Hierin wird ein System beschrieben, in dem eine bilaminare piezoelektrische Metallschei- -be dazu verwendet wird,die Farbe koaxial zu der bilaminaren Scheibe anzutreiben. Dabei erfährt bei Anlegen eines elektrischen Spannungsimpulses an die Scheibe diese eine Verbiegüng, so daß sich ihre Mitte in Richtung auf die Farbe bewegt, wodurch Farbtröpfchen aus einer 'öffnung ausgepreßt werden. In der US-PS 3 946 398 ist eine ähnliche Vorrichtung beschrieben, bei der jedoch durch die Verbiegung des Scheibenmittenbereichs die Farbe aus einer öffnung ausgetrieben wird, deren Achse senkrecht zur Achse der Scheibe gerichtet ist. Zwei andere Anordnungen zeigt die US-PS 3 857 049. In der ersten umgibt ein rohrförmiger Piezowandler einen die Farbflüssigkeit enthaltenden Kanal, so daß bei Erregung des Wandlers mittels eines Spannungsimpulses ein Farbtröpfchen aus dem Kanal ausgepreßt wird.· In der zweiten Lösung wird vorgeschlagen, die radiale Ausdehnung einer Piezowandlerscheibe bei Anlegen eines Spannungsimpulses dazu zu-verwenden, die Farbe in dem die Scheibe umgebenden Kanal zu komprimieren und dadurch aus einer Düse Farbtröpfchen herauszudrücken, über diese kurz beschriebenen Einrichtungen hinaus sind weitere Anordnungen bekannt. Der Grund dafür, wes-

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wegen so viele verschiedene Einrichtungen existieren, liegt darin, daß man versucht, Vorrichtungen zur Abgabe von Farbtröpfchen zu schaffen, die wirtschaftlich herzustellen sind und zuverlässig arbeiten sowie ausreichend kompakt gebaut werden können, so daß sie in Druckeranordnungen untergebracht werden können. Eine brauchbare Vorrichtung muß leicht zu reinigen und auf einfache Weise schnell betriebsfertig zu machen sein. Außerdem ist es wichtig, daß in den Flüssigkeitskanälen enthaltene Luftblasen einfach daraus entfernt werden können.

Eine Flüssigkeitströpfchen-Abgabevorrichtung, die den vorstehend genannten Forderungen weitestgehend gerecht wird, ist in der US-Patentanmeldung Ser. No. 33 090 vom 25. April 1979 beschrieben. In dieser Vorrichtung befindet sich ein rechteckiger Piezowandler, der sich achsparallel zu einem die Farbflüssigkeit enthaltenden Kanal erstreckt. Wird quer über die Breite des Wandlers ein Spannungsimpuls angelegt, dann dehnt sich der Wandler in den die Flüssigkeit enthaltenden Kanal hinein aus, so daß ein Farbtröpfchen· aus dem Kanal ausgedrückt wird. Es hat sich bei dieser Vorrichtung jedoch nach längerer Betriebsdauer herausgestellt, daß an der flexiblen Membran zwischen dem Piezowandler und dem Kanal Schäden auftreten. Diese Schäden sind durch die Stroßkräfte bedingt, mit denen das Piezoelement gegen die flexible Membran stößt, so daß diese Risse bekommt und Farbe mit dem Wandler in Berührung kommt.

Durch die Erfindung wird hier Abhilfe geschaffen. Danach wird die Flüssigkeitströpfchen-Abgabevorrichtung so gestaltet, daß ein im wesentlichen rechteckiger Piezowandler achsparallel zu einem die Druckfarbe enthaltenden Kanal angeordnet wird, wobei die erfindungsgemäße Besonderheit dafür sorgt, daß keine Schaden an der Grenzfläche zwischen dem Piezowandler und dem Farbflüssigkeitskanal während längerer Betriebszeit auftreten. Die erfindungsgemäße Besonderheit besteht darin, daß der Piezowandler mit einem Werkstoff überzogen wird, der fest am Wandler

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haftet/ der aber eine Scherbewegung zwischen seiner Außenfläche, d. h. der Außenfläche des Überzugswerkstoffs, und dem umgebenden/ relativ steifen Material ermöglicht. Somit kann mit der Erfindung eine Farbtröpfchen-Abgabevorrichtung geschaffen werden, bei der zwischen dem piezoelektrischen Wandler und dem Farbflüssigkeitskanal keine flexible Membran eingesetzt werden muß.

Anhand eines schematisch in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispiels wird die Erfindung in ihren Besonderheiten nachfolgend im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Farbflüssigkeitskanal einer.Flüssigkeitströpfchen-Abgabevorrichtung mit dem zugehörigen Antriebselement in perspektivischer Darstellung;

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform mit erweitertem Fußbereich;

Fig. 3 einen Querschnitt'"^:durch eine Anordnung von Tröpfchen-Abgabevorrichtungen gemäß Fig. 1.

In der Fig. 1 ist ein insgesamt mit 1 bezeichneter Piezowandler auf seinen Seitenflächen 3 und 5 mit einem überzug aus leitendem Material versehen. Von einem Impulsgenerator (nicht gezeigt) werden über Leitungsdrähte 7 und 9 den leitenden Flächenbelägen 3 und 5 Spannungsimpulse zugeführt. Der Piezowandler 1 ist in der Z-Richtung, die in Fig. 1 mit 2 bezeichnet ist, während seiner Herstellung polarisiert, so daß bei Anlegen eines elektrischen Feldes in der entgegengesetzten Richtung der Polarisationsrichtung 2 der Piezokristall 1 sich in der Z-Richtung zusammenzieht. Er wird dadurch also in dieser Dimension dünner. Wenn dies geschieht, dehnt sich der Piezowandler 1 in der X- und der Y-Richtung aus. Eine planare Bewegung der Endflächen und

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Schmalseiten des rechteckigen Piezowandlers 1 von der Mitte weg wird nachfolgend als Ausdehnungsbewegung in der Ebene bezeichnet. Der Piezowandler 1 dehnt sich also bei Anlegen elektrischer Spannungsimpulse über die Zuleitungen 7 und 9 in X- und Y-Richtung aus. Bei der erfindungsgemäßen Gestaltung wird eine Schmalseite 4 des Wandlers 1 von dem den Wandler umgebenden Material 11 bzw. 19 starr gehalten. Die Ausdehnung in Y-Richtung kann somit nur durch Bewegung in Richtung von der starren Halterung im Material 11 bzw. 19 weg erfolgen. Der Piezowandler 1 ist darüber hinaus mit einem Werkstoff 10 beschichtet, der flexibel und isolierend ist und somit dem Wandler 1 eine Freiheit gegenüber dem ihn umschließenden starren Material 19 in Scherrichtung gibt. Folglich wird die Ausdehnungsbewegung des Piezowandlers 1 in Y-Richtung durch die Beschichtung 10 unmittelbar auf den Kanal 15 übertragen. Auf diese Weise kann eine flexible Membran zwischen dem Piezowandler 1 und dem Kanal 15 entfallen. Die Bewegung des Piezowandlers 1 in Y-Richtung auf den Kanal 15 hin ergibt eine ausreichende Drucksteigerung in der Farbe 13 im Kanal , so daß aus dessen Abgabeöffnung 23 ein Tröpfchen 20 ausgestoßen wird.

In der Darstellung der Fig. 2 ist der Piezowandler auf seinen Seitenflächen mit leitendem Material 3 und 5 bedeckt und weiter mit einem relativ flexiblen Isoliermaterial 10 beschichtet. Entlang der oberen Längskante 4 ist das Beschichtungsmaterial 10 entfernt, um zwischen dem Piezowandler 1 und einem festen Block 11 einen starreren Kontakt zu erhalten, als dies bei Anwesenheit des Beschichtungsmaterials 10 möglich wäre. Die Bewegung des Piezowandlers in Y-Richtung wird dadurch auf den Kanal 15 übertragen. Um jedoch die Volumendeformation, die vom Piezowandler 1 zu erlangen ist, noch zu vergrößern, wird' das Material 10 von einer Außenschicht 12 umgeben, welche die wirksame Berührungsfläche zwischen dem Kanal und dem Piezowandler 1 vergrößert. Die Volumendeformation, die von einem sich in einer

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Ebene ausdehnenden Piezowandler gewonnen werden kann/ läßt sich näherungsweise durch die folgende Gleichung bestimmen:

worin /^V die Volumendeformation, ρ der Druck in der Farbflüssigkeit, E das an den Piezowandler 1 angelegte elektrische Feld, 1,1 und 1 Länge, Höhe bzw. Dicke des Piezowandlers 1, w die Breite des Materials 12 an seiner Berührungsfläche mit dem Kanal 15, S₁-E. die elastische Konstante des Piezomaterials und d₃₁ piezoelektrische Konstante des Piezomaterials sind.

Aus der Gleichung ersieht man, daß der der Farbflüssigkeit 13 zugeführte Druck und die Volumendeformation unabhängig voneinander durch Wahl der Breite des Materials 12 und gesonderte Dimensionierung des Piezowandlers 1 in X-,Y-und Z-Richtung gesteuert werden können.

Fig. 3 zeigt eine Anordnung von Farbtröpfchengebern bei Verwendung der sich in einer Ebene ausdehnenden Piezowandler mit erfindungsgemäßer Gestaltung. Es'können nebeneinander soviel Farbtröpfchengeber angeordnet werden, wie zur Bildung einer gewünschten Gruppenanordnung nötig ist. Eine solche Anordnung ist für einen Hochgeschwindigkeitsdrucker gut brauchbar.

Ein derartiger Tröpfchengeber kann beispielsweise aus einem Piezowandler aus Piezokeramik PZT-5 von Vernitron Piezoelectric Division mit den Abmessungen 0,25 mm Dicke, 5 mm Höhe und 15 mm Länge hergestellt und mit gepolten Elektroden beschichtet sein. Der Piezowandler wird mit Urethan CPC-39 des Herstellers Emerson & Cuming,Inc. beschichtet, wobei die Schicht im trockenen Zustand etwa 0,3 mm stark ist. Die wahlweise anbringbare weitere Überzugsschicht kann 1 bis 2 Mikron eines die Form freigebenden Agents Canie 1080 von Camie-Campbell, Inc. sein. Die Kante 4 des Piezowandlers ist entweder von Anfang an nicht

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beschichtet und wenn sie beschichtet ist, wird die Beschichtung entfernt, damit der Piezowandler im Block 11 festgehaltert ist. Block 11 besteht aus Epoxyd Stycast 1266 oder 1267 von Emerson & Cuming, Inc. Der Kanal 15 im umgebenden Material 19 mißt etwa 0,75 mm im Durchmesser und verengt sich zu einer öffnung 23 von etwa 50 Mikron. Als günstig im Druckerbetrieb hat sich erwiesen, ein Potential von etwa 50 Volt bei 80 kHz anzulegen. Das den Kanal 15 und den Piezowandler 1 einschließende Material ist ebenfalls Epoxyd Stycast 1266 oder 1267.

Es versteht sich, daß der Fachmann, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, Abwandlungen gegenüber dem beschriebenen Ausführungsbeispiel vornehmen kann/ so kann beispielsweise der Piezowandler 1 durch ein Element aus elektrostriktivem oder magnetostriktivem Material ersetzt werden.

Es ist eine im Impulsbetrieb Flüssigkeitströpfchen abgebende Vorrichtung beschrieben, die einen rechteckigen Piezowandler enthält, der achsparallel über einem die Farbflüssigkeit enthaltenden Kanal angeordnet ist, wobei eine Längskante des Piezowandlers mit dem Kanal wirkungsmäßig in Verbindung steht. Die dieser Längskante gegenüberliegende Kante des Wandlers ist starr gehaltert, so daß bei Erregen des Wandlers mit einem elektrischen Impuls dieser sich in Richtung auf den Kanal hin ausdehnt und ein Tröpfchen ausstößt. Der Piezowandler ist mit einem Werkstoff oder Material beschichtet, das eine Scherbewegung zwischen dem Piezowandler und dem die Tröpfchen-Abgabevorrichtung umschließenden Material ermöglicht.

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Claims

30H256 XERXO CORPORATION Rochester, N. Y. /USA Patentansprüche

1. Impulsgesteuerte Flüssigkeitströpfchen-Abgabevorrichtung, in der ein im wesentlichen rechteckiger Piezowandler, dessen leitfähige Seitenwände über Zuleitungen mit einer Spannungsquelle verbindbar sind, sich in einem Körper in Richtung eines zur Abgabeöffnung führenden Farbflüssigkeitskanals erstreckt und mit diesem über eine Längskante so in Verbindung ist, daß bei Einwirken einer Spannung auf seine Seitenwände aus der Abgabeöffnung Farbflüssigkeit austritt,

dadurch gekennzeichnet, daß der Piezowandler (1) mit einem Material (10) überzogen ist, das zwischen dem Piezowandler (1) und' dem Körper (19) eine Scherbewegung zuläßt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zweite, die Ubertragungsflache vom Piezowandler (1) auf den Kanal (15) vergrößernde Schicht (12).

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3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die der auf den Kanal (15) wirkenden Längskante gegenüberliegende Längskante (4) des Piezowandlers (1) in einem Halteblock (11) fest eingespannt ist, der seinerseits fest mit dem Körper (19) verbunden ist.

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