DE3026976A1

DE3026976A1 - Tintenstrahlschreiber

Info

Publication number: DE3026976A1
Application number: DE19803026976
Authority: DE
Inventors: Yasuhiro Yamaguti
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1979-07-18
Filing date: 1980-07-16
Publication date: 1981-01-22
Also published as: DE3026976C2; US4333087A; JPS6224274B2; JPS5615364A

Description

16. Juli 1980

Tintenstrahlschreiber

Die Erfindung betrifft einen Tintenstrahlschreiber zur Verwendung bei Druckapparaten, Faksimiletelegraphen, Schreiboder Aufzeichnungsgeräten usw.

Es sind verschiedene Arten von Tintenstrahlschreibersystemen bekannt, mit denen eine Aufzeichnung bzw. ein Ausdruck durch Ausstoßen von Tintentröpfchen hergestellt wird. Ein typisches Beispiel für ein solches System ist ein überdruck-Tintenstrahlschreiber, bei dem eine Spannung an ein piezoelektrisches Element zur Verformung desselben angelegt wird, so daß dieses Element die Tinte unter Druck setzt und in Form von Tröpfchen ausstößt. Ein solches Tintenstrahlschreibersystem läßt sich in zwei Kategorien einteilen, nämlich in ein Druckimpulssystem, bei dem die Spannung an das piezoelektrische Element nur bei der Aufzeichnung angelegt wird, und in ein mit Überdruck und elektrostatischer Ablenkung arbeitendes System, bei dem eine Reihe von Tröpfchen mittels einer Ladung abgelenkt wird, wobei ein kontinuierlich unter einem konstanten statischen Druck ausgetriebener Strahl durch die Schwingung des piezoelektrischen Elements aufgeteilt wird. Im folgenden ist anhand von Fig. 1 ein Beispiel für das Druckimpulssystem beschrieben.

Ein Spannungsimpuls von einigen hundert Volt wird durch einen Impulsgenerator 4 zwischen einer Elektrode 2 und

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einer Metallplatte 3 angelegt, die auf gegenüberliegenden Seiten eines piezoelektrischen Elemente 1 angeordnet sind. Aufgrund dieser Spannungsanlegung erfährt der Mittelteil des piezoelektrischen Elements 1 eine Verformung bzw. Auslenkung in Richtung des Pfeils A, so daß eine in einem Tintenraum 5 enthaltene Tintenmasse 6 alt einem vorgegebenen Druck beaufschlagt wird. Unter diesem Druck wird ein Teil der Tintenmasse 6 in Tröpfchen aufgetrennt, die aus einer Düse 7 ausgestoßen werden. Wenn andererseits der Signalimpuls vom Impulsgenerator U abfällt, bewegt sich der Mittelteil des piezoelektrischen Elements 1 in Richtung des Pfeils B zurück, so daß im Tintenraum 5 ein Unterdruck entsteht. Infolgedessen wird über einen Tinte-Speiseeinlaß 8 automatisch Tinte in den Tintenraum 5 angesaugt. Durch Wiederholung dieser Vorgänge werden Tintentröpfchen aufeinanderfolgend aus der Düse 7 für die Aufzeichnung ausgestoßen.

Bei diesem bisherigen Tintenstrahlschreiber wirkt der bei der Verformung bzw. Auslenkung des piezoelektrischen Elements 1 in Richtung des Pfeils A erzeugte Druck nicht nur auf die Seite der Düse, sondern auch auf den Tinteneinlaß, was insgesamt zu einem Druckverlust oder -abfall führt. Wenn somit Tinte aus einer Düse mit einem Innendurchmesser von ungefähr 50 μπι mittels eines scheibenförmigen piezoelektrischen Elements von z.B. 20 mm Durchmesser und 0,2 mm Dicke sowie einer Metallscheibe derselben Dicke ausgetrieben wird, ist es auch bei Aufprägung einer Impulsspannung mit einem Spitzenwert von 300 V nicht möglich, Tintentröpfchen auszustoßen oder den Tintenstrahl mit niedriger Frequenz auftreten zu lassen.

Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die Schaffung eines verbesserten Tintenetrahlschreibers, der eine zufrie-

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denstellende Aufzeichnung bei verbessertem Tintenstrahlausstoß-Wirkungsgrad gewährleistet.

Diese Aufgabe wird durch die in den beigefügten Patentansprüchen gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bisherigen Tintenstrahlschreibervorrichtung,

Fig. 2 und 3 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Schnittansicht bzw. eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung eines Tintenstrahlschreibers gemäß der Erfindung,

Fig. 4 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Arbeitsweise des Tintenstrahlschreibers gemäß Fig. 2 und

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Tintenstrahlschreibers gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 1 ist eingangs bereits erläutert worden.

Gemäß den Fig. 2 und 3 ist in einem Behälter 10 eine Tintenkammer 11 zur Aufnahme eines Volumens 12 einer üblichen wäßrigen Tinte festgelegt. Die oberseitige Öffnung der Tintenkammer 11 ist flUssigkeitsdicht mit einer aus einer Scheibe aus rostfreiem Stahl bestehenden Elektrodenecheibe 13 verschlossen, während an der bodenseitigen Öffnung ^ ein z.B. aus gesintertem rostfreien Stahl bestehendes FiI-

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ter 14 mit einer Vielzahl ununterbrochen durchgehender öffnungen oder Poren angebracht ist. Weiterhin ist die Bodenöffnung des Behälters 10 mit einem Tinteneinlaß 15 verbunden, der an einen Tintenvorrat 31 angeschlossen ist und über das Filter 14 mit der Tintenkammer 11 kommuniziert. Der Behälter 10 ist zudem mit einem Tintenauslaß 16 versehen, der mit dem Inneren der Tintenkammer 11 in Verbindung steht und dessen Vorderende Über eine Düse 17 nach außen mündet. Die Elektrodenscheibe 13 ist über einen nicht dargestellten Silberfilm mit der Unterseite eines aus einem scheibenförmigen piezoelektrischen Keramlkstück bestehenden piezoelektrischen Elements 18 verbunden, das an seiner Oberseite mit einer weiteren Elektrodenscheibe versehen ist.

Wie aus Fig. 3 im einzelnen hervorgeht, besteht der Behälter 10 aus einer oberen und einer unteren Grundplatte 20 bzw. 21, die Jeweils mit mehreren, auf einem Kreisbogen angeordneten, zylindrischen Durchgangsbohrungen versehen sind, sowie einem zwischen den Grundplatten angeordneten und eine der Zahl der Bohrungen der Grundplatten 20 und 21 entsprechende Zahl von Durchgangsbohrungen aufweisenden Abstandstück 22. Das Abstandstück 22 ist mit mehreren Schlitzen bzw. Einschnitten versehen, die von den Bohrungen zu seiner Stirnseite verlaufen. Das Abstandstück 22 ist so zwischen die Grundplatten 20 und 21 eingesetzt, daß seine Vorderseite bzw. Stirnfläche bündig mit den Stirnflächen der beiden Grundplatten 20 und 21 abschlleßten. Auf diese Stirnflächen ist eine Öffnungsplatte 23 mit in einer Reihe angeordneten (Düsen-)öffnungen aufgesetzt, die mit den Schlitzen des Abstandstücks 22 in Verbindung stehen. Die beiden Grundplatten 20 und 21 sowie die jeweiligen Bohrungen des Abstandstücks 22 bilden somit mehrere Tintenkammern 11, von denen in Fig. 2 nur eine dargestellt ist. Jeder Schlitz des Abstandstücks 22 legt

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mit der Unterseite der oberen Grundplatte 20 sowie der zugewandten Oberseite der unteren Grundplatte 21 einen Tintenauslaß fest, und jede öffnung in der Öffnungsplatte 23 bildet eine Düse 17.

Im Tinteneinlaß 15 ist in der Nähe der Tintenkammer 11 ein Stufenabschnitt ausgebildet. Zwischen diesem Stufenabschnitt und der Unterseite der unteren Grundplatte 21 1st eine kreisbogenförmige poröse Platte bzw. ein Filter 14 so gehaltert, daß sie bzw. es alle bodenseitigen öffnungen der verschiedenen Tintenkammern blockiert. Die Tinte kann somit über das Filter 14 vom Tinteneinlaß 15 in die einzelnen Tintenkammern 11 eintreten.

Die Elektrodenscheibe 13 ist bogenförmig ausgebildet und an der Oberseite der oberen Grundplatte 20 so angebracht, daß sie alle Tintenkammern 11 verschließt. In einem Kreisbogen sind auf der oberen Grundplatte 20 piezoelektrische Elemente 18 angeordnet, die jeweils im wesentlichen denselben Durchmesser wie die Tintenkammern 11, d.h. die zylindrischen Bohrungen in der Grundplatte besitzen und die koaxial auf die betreffenden Tintenkammern ausgerichtet sind.

Im folgenden ist die Arbeitsweise des den vorstehend beschriebenen Aufbau besitzenden Tintenstrahlschreibers anhand von Fig. 4 erläutert.

Bei einer Aufzeichnung, d.h. in einem .Schreibvorgang, wird ein Ausgangsspannungsimpuls von einem Impulsgenerator 30 über die Elektrodenplatten bzw. -scheiben 13 und 19 an das piezoelektrische Element 18 angelegt. Dabei wölbt eich der Mittelteil des piezoelektrischen Elements 18 zusammen mit der Elektrodenscheibe 13 in Abhängigkeit von der angelegten Spannung in Richtung des Pfeils A₁ so daß die in der

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Tintenkammer 11 befindliche Tinte 12 augenblick mit einem hohen Druck beaufschlagt wird. Obgleich dieser durch die Verformung bzw. Auslenkung des piezoelektrischen Elements 18 erzeugte Druck auch auf den Tinteneinlaß übertragen wird, wird der größte Teil dieses Drucks aufgrund des hohen Strömungswiderstands des porösen Filters 14 zum Tintenauslaß übertragen, so daß die Tinte über die Düse 17 in Richtung auf das Aufzeichnungspapier ausgestoßen wird.

Bei Beendigung des Spannungsimpulses bewegt sich der Mittelteil des piezoelektrischen Elements 18 in Richtung des Pfeils B in seine Ausgangsstellung zurück, so daß in der Tintenkammer 11 ein Unterdruck entsteht, wobei unter dem Druck H Tinte vom Tintenvorrat 31 über das Filter 14 in die Tintenkammer 11 angesaugt wird. Der Tintenstrahlausstoß über die Düse 17 und die Tintenzufuhr zur Tintenkammer 11 können dabei für die Durchführung der gewünschten Aufzeichnung auf dem Aufzeichnungspapier entsprechend wiederholt werden.

Das Filter 14 setzt dem es durchströmenden Tintenstrom einen bestimmten Widerstand entgegen. Venn dieser Widerstand zu groß ist, kann die Tintenkammer 11 nicht mit einer vorgegebenen Tintenmenge gespeist werden, auch wenn das in ihr enthaltene Tintenvolumen abnimmt. Zur Vermeidung dieser Erscheinung muß daher der vorgegebene Druck H auf den Tintenvorrat 31 einwirken. Der Druck H muß größer sein als der Strömungswiderstand für den Tintenfluß in die Tintenkammer 11, aber kleiner als eine durch die Oberflächenspannung am Tintenauslaß 16 und an der Düse 17 erzeugte Widerstandskraft. Diese Beziehung zwischen dem Druck H und der auf der Oberflächenspannung beruhenden Widerstandskraft ist erforderlich, um ein Ausstoßen von Tinte zu verhindern, wenn durch das piezoelektrische Element 18 kein Druck ausgeübt wird.

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Venn die Widerstandskraft bzw. der Strömungswiderstand des Filters am Tintenspeiseeinlaß mit F und die Widerstandskraft aufgrund der Oberflächenspannung mit T bezeichnet werden, bestimmt sich die vom Tintenvorrat, der ständig mit dem Druck H beaufschlagt wird, auf die Seite der Tintenkammer 11 ausgeübte Kraft P wie folgt:

F< P < T.

Genauer gesagt: wenn der Innendurchmesser des Tintenauslasses mit 2r und die Oberflächenspannung der Tinte mit t bezeichnet werden, entspricht die durch die Oberflächenspannung erzeugte Kraft 2t r»t. Bei einem ständig die Tinte beaufschlagenden Druck H entspricht die durch diesen am Auslaß erzeugte Kraft Tfν ·Η.

Wenn diese letztere Kraft (i/r ¹H) größer ist als die erstgenannte Kraft (2^r«t), ergibt sich H > 2t/r. Wenn H grosser ist als 2t/r, fließt unnötigerweise Tinte aus. Wenn der Innendurchmesser (2r) der Auslaßöffnung 50 μη und die Oberflächenspannung (t), der wäßrigen Tinte 60 dyn/cm betragen, muß der ständig auf die Tinte einwirkende Druck kleiner sein als 50 cm·HpO (bzw. 50 cm Wassersäule).

Wenn beispielsweise mittels eines Signalimpulses einerRechteckwellenform von 50 με Breite Tintentröpfchen mit einem Durchmesser von 84 pm. über den Tintenauslaß ausgetrieben werden, beträgt das Volumen eines Tintentröpfchens etwa 2,7x10"^cm^. Wenn in diesem Fall als Filter eine Scheibe oder Platte aus gesintertem rostfreien Stahl von 0,2 mm Länge, einem Porendurchmesser von 5 μ» und mit 1000 Poren benutzt und der Druck H auf 5 cm·H₂O (bzw. 5 cm Wassereäule) eingestellt wird, kann die Tinte über das Filter während einer Zeitspanne von 600 μβ zugeführt werden. Wenn der statische Druck auf «ehr als 5 cm·HpO (bzw. 5 cm

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Wassersäule) eingestellt wird, kann die Tinte während einer kürzeren Zeit zugeführt werden. Der Druck H muß daher der Bedingung 5 cm·H₂O <H< 50 cm·HpO genügen.

Die Tintenstrahlaustreibung erfolgt mit gutem Wirkungsgrad, wenn der Widerstand Rn am Tintenauslaß kleiner ist als der Widerstand Rf am Filter.

Wenn die Eigenschaften des Tintenauslasses und des Filters gemäß nachstehender Tabelle zusammengefaßt werden, läßt sich das Verhältnis zwischen den Widerständen Rn und Rf wie folgt berechnen:

Rn _m rf »In χ 1000 _β _j_
Rf " ZXTT " 40

TABELLE

Tintenauslaß Filter

Länge (1)

Poreninnendurchme s s er (2r)

Porenzahl

50 μη

50 im
1

200 μα

5 um 1000

In diesem Fall ist der Widerstand des Filters 40mal so
groß wie derjenige der Auslaßöffnung bzw. des Tintenauslasses, so daß die Tinte wirksam in einem Strahl ausgetrieben werden kann.

Wenn in der Praxis ein piezoelektrisches Element von
0,2 mm Dicke sowie Elektrodenplatten in Fora ron Metall·

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scheiben derselben Dicke und mit 20 mm Durchmesser in Verbindung mit einem Tintenauslaß und einem Filter mit den in der Tabelle angegebenen Eigenschaften verwendet werden, kann bei Anlegung einer konstanten Kraft von 10 cm*H₂O (bzw. 10 cm Wassersäule) ein Strom von Tintentröpfchen »it einer Frequenz von 1,6 kHz erzielt werden.

Obgleich das bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform verwendete Filter aus gesintertem rostfreien Stahl besteht, kann es ersichtlicherweise auch aus einem beliebigen, geeigneten anderen Material bestehen, sofern dieses porös und gegenüber der Tinte weitgehend beständig bzw. inert ist.

Das bei der beschriebenen Ausführungsform an der Einlaßöffnung nahe der Tintenkammer angeordnete Filter kann wahlweise auch von der Tintenkammer getrennt sein. In diesem Fall muß das Filter jedoch ohne weiteres von dem durch die Verformung des piezoelektrischen Elements erzeugten Druck erreichbar sein. Wahlweise kann das Filter unmittelbar in der Tintenkammer angeordnet sein. In diesem Fall muß ersichtlicherweise der Tintenauslaß 16 in einem Tintenkammerabschnitt 11a zwischen dem piezoelektrischen Element 18 und dem Filter 14 angeordnet sein, während der Tinteneinlaß 15 an einem anderen Tintenkammerabschnitt 11b angeordnet ist (vgl. Fig. 5).

Beim erfindungsgemäßen Tintenstrahlschreiber ist ßomit ein poröses Filter in einem Tintendurchgang bzw. -kanal angeordnet, der aus einer Tintenkammer sowie einem Tinteneinlaß und einem Tintenauslaß besteht und der in zwei Durchgangsteile unterteilt ist, die über das poröse Filter miteinander kommunizieren. Der erste Durchgangsteil ist mit einem Tintenvorrat verbunden, während der zweite Durchgangsteil an den Tintenauslaß angeschlossen ist, aus dem

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die Tinte durch ein Druckbeaufschlagungsmittel (bei den dargestellten Ausführungsformen ein piezoelektrisches Element) austreibbar ist. Bei der zuerst beschriebenen Ausführungsform befindet sich das poröse Filter am bzw. im Tinteneinlaß nahe der Tintenkammer, so daß der erste Durchgangsabschnitt durch den größten Teil des Tinteneinlasses gebildet wird. Bei der zweiten Ausführungsform ist das poröse Filter innerhalb der Tintenkammer angeordnet, so daß der erste Durchgangsabschnitt den gesamten Tinteneinlaß und einen Teil der Tintenkammer umfaßt.

Der vorstehend beschriebene Tintenstrahlschreiber ist nicht nur auf ein Druckimpulssystem, sondern auch auf ein Druckbeaufschlagungs-Schwingungssystem anwendbar.

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Claims

Henkel, Kern, Feuer & H&nzdl Patentanwälte Registered Representatives before the European Patent Office Möhlstraße 37 D-8000 München 80 TOKYO SHIBAURA DENKI KABUSHIKI KAISHA, Te!.: 089/982085-87 Kawasaki , Japan Telex: 0529802 hnkl d Telegramme: ellipsoid MH-55P211-2 J& JuIf PATENTANSPRÜCHE

1. Tintenstrahlschreiber, gekennzeichnet durch einen Behälter (körper) (10) mit einem Tintenkanal oder -durchgang in Form einer ein Tintenvoiumen (12) enthaltenden Tintenkammer (11), einem Tinteneinlaß (15) zur Zufuhr von Tinte zur Tintenkammer und einem Tintenauslaß (16), über den Tinte aus der Tintenkammer austreibbar ist, durch ein Druckbeaufschlagungsmittel (13, 18, 19) zur Anlegung eines Drucks an das in der Tintenkammer (11) befindliche Tintenvolumen (12) in Abhängigkeit von einem an das Druckbeaufschlagungsmittel angelegten elektrischen Signal, durch einen mit dem Tinteneinlaß verbundenen Tintenvorrat (31) zur Zufuhr von Tinte zur Tintenkammer (11) über den Tinteneinlaß und durch ein innerhalb des Tintendurchgangs angeordnetes poröses Filter (14), welches den Tintendurchgang in zwei Abschnitte unterteilt, die über das poröse Filter miteinander kommunizieren und von denen der erste mit dem Tintenvorrat und der zweite mit dem Tintenauslaß (16) verbunden und unmittelbar mit dem durch das

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Druckbeaufschlagungsmittel erzeugten Druck beaufschlagbar ist.

2. Tintenstrahlschreiber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Filter innerhalb des Tinteneinlasses angeordnet ist.

3. Tintenstrahlschreiber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Filter innerhalb der Tintenkammer angeordnet ist.

4. Tintenstrahlschreiber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckbeaufschlagungsmittel ein piezoelektrisches Element sowie zwei auf seinen beiden Seiten angeordnete Elektrodenscheiben umfaßt.

5. Tintenstrahlschreiber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter(körper) eine Öffnung aufweist, die in die Tintenkammer mündet und durch die erste Elektrodenscheibe verschlossen ist.

6. Tintenstrahlschreiber nach Anspruch 5_f dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Filter eine Platte bzw. Scheibe aus gesintertem rostfreiem Stahl ist.

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