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Schreibkopf für Tintenschreibeinrichtungen
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Schreibkopfes
für Tintenschreibeinrichtungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, sowie
eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
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Ein piezoelektrisch betriebener Schreibkopf für Tintenschreibeinrichtungen
ist beispielsweise aus der DE-OS 25 43 451 (VPA 75/2175) bekannt. Zur Erzeugung
eines tröpfchenweisen Tintenausstosses ist dabei ein mit Tinte gefüllter Tintenkanal
von einem Piezoelement in Form eines Röhrchens umfaßt, dessen Innenradius sich bei
geeigneter Ansteuerung erweitert und verengt. Die Ansteuerung eines derartigen piezoelektrischen
Antriebselementes ist aus der DE-AS 25 48 691 bekannt. Dadurch erzeugte Druckwellen
im tintengefüllten Tintenkanal bewirken, daß zunächst eine geringe Menge an Tinte
über ein Versorgungssystem angesaugt, und anschließend im wesentlichen über die
Öffnung des Tintenkanals in Form eines Tintentröpfchens ausgestossen wird. Die für
einen sicheren Schreibbetrieb zulässige Ausstoßgeschwindigkeit, die sog. Spritzfrequenz,
hängt im wesentlichen davon ab, wie schnell die mit einem solchen Spritzvorgang
verursachten Schwingungen im Tintenkanal abklingen. Folgt nämlich einem vorhergehenden
Ausstoßvorgang ein neuer Ausstoßvorgang noch ehe die durch den vorhergehenden Ausstoßvorgang
verursachten Schwingungen abgeklungen sind, so wirkt sich das auf die Fluggeschwindigkeit
der ausgestoßenen Tröpfchen aus, und führt zu einer unkontrollierten Positionierung
der Tröpfchen auf dem Aufzeich-
nungsträger. Im Extremfall kann
je nach Phasenlage zwischen der Restschwingung und der durch einen nachfolgenden
Impuls angeregten neuen Schwingung im Tintenkanal, die Fluggeschwindigkeit eines
Tröpfchens bis auf einen Wert 0 absinken, oder es kann Luft in die Tintenkanäle
eindringen.
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Es ist deshalb notwendig, einen, diesen Umstand berücksichtigenden
Impulsabstand zwischen aufeinanderfolgenden Ansteuerimpulsen des Piezoröhrchens
einzuhalten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Spritzfrequenz einer
Tintenschreibeinrichtung bei Einhaltung einer konstanten Fluggeschwindigkeit der
ausgestoßenen Tintentröpfchen zu erhöhen. Gelöst wird diese Aufgabe durch die im
kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale.
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Damit wird erreicht, daß die Restschwingungen im Tintenkanal einer
Tintenschreibeinrichtung so schnell, und in einem solchen Maße gedämpft werden,
daß auch bei hohen Spritzfrequenzen Nachfolgetröpfchen durch Restschwingungen im
Tintenkanal nicht mehr oder nur unwesentlich beeinflußt werden. Geht man von einem
praktischen Wert aus, wonach bei jeder Reflexion der Druckwelle diese jeweils 30%
ihrer Energie verliert, so kann durch eine Verkürzung des Tintenkanals eine Erhöhung
der Spritzfrequenz um das 3 bis 4-fache erreicht werden, ohne daß die Fluggeschwindigkeit
der einzelnen, aufeinanderfolgenden Tintentröpfchen beeinflußt wird.
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Eine vorteilhafte Anordnung zur Durchführung der Erfindung ist im
Patentanspruch 2 angegeben. In Ausgestaltung der Erfindung kann der Tintenkanal
bis zur Länge des Piezowandlers verkürzt sein. Dabei ist es ein Vorteil, daß auch
der in Form eines Piezoröhrchens als Antriebselement vorgesehene
Piezowandler
verkürzt ist, was sich in einer Reduzierung des bisher erforderlichen Aufwandes
äußert.
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Eine besonders einfache und vorteilhafte Vorrichtung, die Druckwelle
zu reflektieren, besteht darin, daß der Tintenkanal an seinem, mit dem Tintenversorgungssystem
verbundenen Ende eine sprunghafte Querschnittsveränderung aufweist.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand eines
in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles gegeben. Dort zeigen Fig.
1 einen Tintenkanal eines bekannten Tintenschreibkopfes, Fig. 2 einen demgegenüber
verkürzten Tintenkanal, Fig. 3 den Dämpfungsverlauf in einem bekannten und in einem
erfindungsgemäßen Tintenkanal.
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Fig. 1 zeigt einen Schreibkopf 1 nach dem Stand der Technik. Er weist
einen Tintenkanal 2 mit der Länge L1 auf, wobei L1 in der Größenordnung von'einigen
Zentimetern liegt, beispielsweise 4cm beträgt. An seinem vorderen, einem hier nicht
dargestellten Aufzeichnungsträger zugewandten Ende ist er mit einer Düsenplatte
3 abgeschlossen, in der eine Düsenöffnung 4 vorgesehen ist. An seinem rückwärtigen
Ende steht er mit einem Tintenversorgungssyst:em 5 in Verb in dung. Als Antriebselement
ist ein Piezoröhrchen 6 vorgesehen, das den Tintenkanal 2 über einen Teil seiner
Länge umfaßt. Durch impulsweise Ansteuerung wird dessen Dúrchmesser derart verändert,
daß sich mit jedem Ansteuerimpuls das Piezoröhrchen zunächst erweitert und dann
anschließend verengt. Die dabei entstehende Stoß- oder Druckwelle läuft sowohl in
Richtung zur Austrittsöffnung 4 und stößt dort ein Tintentröpfchen aus, als auch
in Richtung zum Versor-
gungssystem 5. Die Ausstoßfrequenz oder
die Spritzfrequenz der Tintentröpfchen ist allerdings durch die mit einer Druckwelle
ausgelösten Schwingung der Tinte im Tintenkanal begrenzt. Sie kann durch besondere
Anpassungen der Ansteuerspannung für die Piezoröhrchen etwa bis 4000Hz gesteigert
werden, ohne daß eine Beeinträchtigung der Tröpfchenbildung auftritt. Oberhalb dieses
Grenzwertes treten Unregelmäßigkeiten bei der Tröpfchenbildung auf, die die Qualität
des Schriftbildes erheblich verschlechtern können.
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Verfährt man erfindungsgemäß, so kann der Schreibkopf ohne besonderen
Steueraufwand mit einer erheblich höheren Spritzfrequenz betrieben werden. Eine
dafür geeignete Anordnung weist, wie Fig. 2 zeigt, einen erheblich'kürzeren Tintenkanal
2 auf. Zur Erzeugung eines Tintentröpfchens wird, wie anhand von Fig. 1 beschrieben,
ein Ansteuerimpuls auf das Piezoröhrchen 6 gegeben, und im Tintenkanal dadurch nach
der Ansaugphase eine Stoß- oder Druckwelle erzeugt, die über die Austrittsöffnung
4 den Ausstoß des Tintentröpfchens bewirkt. Die Länge L2 des Tintenkanals 2 ist
dabei derart bemessen, daß die Laufzeit der durch eine Druckwelle angeregten Schwingung
im Inneren des Tintenkanals kurz ist gegenüber der Impulsdauer des Ansteuerimpulses
für das Piezoröhrchen 6. In einem praktischen Beispiel hat der Ansteuerimpuls für
eine einwandfreie Tröpfchenbildunq eine Impulsdauer von etwa 20/us. Die Länge L2
des Tintenkanals 2 ist in diesem Falle so bemessen, daß die Laufzeit für einen Druckimpuls
in seinem Inneren kürzer ist als die Impulsdauer, also z.B. 10/us beträgt. Als praktischer
Wert für dieLänge L2 ergibt sich damit unter Berücksichtigung einiger anderer Faktoren
wie Tinteneigenschaften und Durchmesser des Tintenkanals ein Wert von L2=Omm. Da
bei jeder Reflexion der Druckwelle ein Druckabfall um etwa 30% stattfindet, ist
die Energie der Druckwelle bereits nach etwa 70/us so weit abgeklungen, daß ein
neuer Ansteuerimpuls und damit ein neuer Tröpfchenausstoß erfolgen kann.
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Die Spritzfrequenz läßt sich mit dieser Anordnung somit um einen Faktor
3 bis 4 erhöhen.
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Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit der Druckenergie im Inneren eines Tintenkanals.
Die dort dargestellte Kurve I zeigt den durch die Dämpfung in der Tinte verursachten
Druckabfall über die Zeit. Die Kurve II (gestrichelte Linie) zeigt den Druckabfall
aufgrund von Reflexionen in einem langen Tintenkanal (Fig. 1). Kurve III zeigt den
Druckabfall aufgrund von Reflexionen in einem kurzen Tintenkanal (Fig. 2).
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Im Falle der Kurve II findet jeweils nach 40 uns eine Reflexion der
Druckwelle statt, wobei jeweils 30% der Energie der Druckwelle verlorengeht. In
diesem Falle ist die Restschwingung nach 240/us auf einen vernachlässigbaren Wert
(p<5%) abgeklungen. Im Falle der Kurve III findet jeweils nach 10/us eine Reflexion
der Druckwelle statt.
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Hier ist die Restschwingung bereits nach 70/us auf einen vernachlässigbaren
Wert (p<5%) abgeklungen. Die Spritzfrequenz läßt sich also bei Befolgung der
erfindungsgemäßen Lehre von etwa 4kHz, bei einem Tintenkanal nach dem Stand der
Technik auf etwa 14 bis 15kHz, bei einem verkürzten Tintenkanal bei sonst gleichen
Bedingungen erhöhen.
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Mit dem Einsatz eines verkürzten Tintenkanals ist darüber hinaus der
Vorteil verbunden, daß auch ein verkürztes Piezoröhrchen verwendet werden kann.
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Eine im Rahmen der Erfindung liegende vorteilhafte Ausgestaltung besteht
darin, daß zur Verbesserung der Reflexionseigenschaften der Tintenkanal 2 in Richtung
zum Tintenversorgungssystem 5 eine sprunghafte Querschnittsveränderung 7 entweder
in Form einer Erweiterung oder in Form einer Verengung aufweist. Besonders wirksam
ist diese Ausgestaltung dann, wenn die Querschnittsveränderung im
unmittelbaren
Bereich des Piezoröhrchens angeordnet ist.
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6 Patentansprüche 3 Figuren